Forskere demonstrerer ny måde at producere klynger med høj densitet af justerede kvantesensorer i diamant

Forestil dig en sensor, der er så følsom, at den kan registrere ændringer i protonkoncentrationen af ​​et enkelt protein, i en enkelt celle. Dette niveau af indsigt ville afsløre undvigende kvanteskala-dynamik for proteinets funktion, muligvis endda i realtid, men kræver en sensor med kontrollerbare funktioner i en lignende skala.

Takket være en ny fremstillingsteknik, kvantefølingsevner nærmer sig nu denne præcisionsskala. Som de rapporterer i denne uge i Anvendt fysik bogstaver , forskere i Japan har reproducerbart dannet et ensrettet ensemble af kvantesensorer kaldet nitrogen vacancy (NV) centre, kun nanometer fra dets substratoverflade.

Verificeret ved nanoskala nuklear magnetisk resonans (NMR) målinger, disse resultater markerer en klar vej mod atomniveauudformning af kvantesensorer med større overfladearealer end normalt kan opnås. Dette er den første demonstration af denne nanoskala NMR -måling med perfekt justeret, høj densitet NV centre nær overfladen, markerer et stort fremskridt for kvantemagnetometri -forskning.

"Måden at kombinere både høje tæller og høj kontrast er at have justeringen, fordi når du har justeringen, har du stort set fordelen ved de enkelte NV'er kombineret med de høje tællinger, der opnås fra ensemblet NV -centre, "sagde Hitoshi Ishiwata fra Tokyo Institute of Technology og hovedforfatter af papiret." Så det var hvad vi i bund og grund gjorde, virkelig tæt på overfladen - inden for 10 nanometer - og vi demonstrerede, at med en SIMS [Secondary Ion Mass Spectrometry] måling, samt måling af nano -NMR, som viser dig tilnærmelsen af ​​NV'ernes afstand fra overfladen. "

NV centre, allerede et populært værktøj i kvantefornemmelsesverdenen, er specifikke former for urenheder i diamantens krystalstruktur. For en enkelt enhed med diamants ellers rent carbonkonfiguration, NV -centeret består af et nitrogenatom støder op til et manglende (ledigt) atom i krystalets gitter. Denne defekt kan forekomme et af fire mulige steder i enhedens krystal, og hver giver et enkelt-foton signal, hvis spektral signatur er nuklear spin-afhængig.

Den nye teknik anvender en kombination af kemisk dampaflejring (CVD) og retningspolering til at styre, hvordan NV'erne dannes i gitteret. For deres diamantsubstrat, som har en almindeligt justeret overflade, hvor gitteret er orienteret langs det samme krystollagrafiske plan (kaldet 111 i dette tilfælde), Ishiwata og hans kolleger opnåede ensembler af NV'er alle med samme orientering. For et substrat, der måler ca. 10 mikron på tværs, bare mindre end bredden af ​​et menneskehår, deres metode kan producere et sted omkring 10, 000 sådanne centre inden for 10 nanometer fra overfladen.

NV'er på de samme placeringer af deres krystalenheder og så tæt på overfladen, gruppen kunne udføre nanoskala NMR -detektion af fluor i olie, der kom i kontakt med substratet. Pålideligheden af ​​deres fremstillingsmetode har (bogstaveligt talt) vidtgående applikationer til store feltmålinger, sikring af detektionen med høj kontrast over relativt store prøveområder.

"Den anden fordel ved NV -centre med høj densitet med justering er at udføre billeddannelse med bredt felt med høj følsomhed, "Sagde Ishiwata." Før var det umuligt at have høj følsomhed for billedfeltbilleder på grund af vanskeligheden ved at opnå tilpasning af NV -centre med høj densitet. Med vores teknik, høj kontrast bredfeltbillede med højt signal / støjforhold er nu muligt, hvilket fører til højfølsomhed ved bredfeltbilleder. "

Mens gruppen fortsat leder efter måder at forbedre metoden yderligere på, de søger også at udforske anvendelser af disse ensembler i tidsopløst sansning, ved hjælp af pulserende lasere til at levere protoninformation i realtid om dynamiske prøver. Ishiwata selv var især begejstret for mulighederne for at forstå biologiske celler som aldrig før.

"En fremtidig anvendelse af dette materiale er observation af individuelle cellemembraner, fordi vores materiale er egnet til at observere nanoskala NMR på volumenskalaen på 17 kubik nanometer, som kan sammenlignes med tykkelsen af ​​cellemembraner (~ 5 nanometer), "Ishiwata sagde." Så vi kunne bruge dette materiale og måleteknik til lokalt at undersøge nanoskalaaktivitet af proteiner, der findes i cellemembranen med høj følsomhed. "