Nyt værktøj registrerer samtidig magnetiske felter i forskellige retninger

Forestil dig, at du prøver at forstå kakofonien af ​​en højttaler, der spiller fire sange på én gang, og du har en ide om den udfordring, som Jenny Schloss og Matt Turner står over for.

I deres søgen efter at bygge et værktøj, der bruger NV-centre - urenheder i atomare skala i diamanter - til at fornemme magnetfelterne i alt fra fyrende neuroner til systemer med kondenseret stof, parret ph.d. kandidater fra Graduate School of Arts and Sciences har udviklet en metode, der samtidigt kan detektere magnetiske felter i forskellige retninger. Schloss og Turner arbejdede med postdoc John Barry (nu forsker ved MIT Lincoln Laboratory) i Ronald Walsworths laboratorium, et fakultetsmedlem i Harvard's Center for Brain Science og Institut for Fysik.

Schloss, Turner, og Barry bombarderede en lille, 4-millimeter kvadratisk skive af diamant med fire forskellige mikrobølgesignaler, hver af dem blev indstillet til at overvåge en specifik NV-orientering og ditheret i henhold til et unikt frekvensmodulationsmønster (FM). Forskerne kunne så samtidig måle, hvordan hver NV-orientering reagerede på forskellige retninger af et magnetfelt - næsten som om de lyttede til fire FM-radiostationer på én gang. Arbejdet er beskrevet i et nyt papir udgivet i Fysisk gennemgang anvendt .

Forskerne sagde, at det nye værktøj repræsenterer en markant forbedring fra tidligere teknikker, hvilket krævede, at forskere skulle gennemgå den tidskrævende proces med sekventielt at skifte mellem mikrobølgefrekvenser for at overvåge responsen fra forskelligt orienterede NV-centre.

"Men med denne nye metode, vi kan gøre dem alle på samme tid, " sagde Turner. "Den gamle måde, det var fint til processer, der var langsomme. Men for hurtige ting som biomagnetiske felter produceret ved at affyre neuroner, vi skal gøre det bedre end det eller vi kan gå glip af nogle oplysninger."

"Så vi indsamler denne konstante strøm af data fra diamanten, mens magnetfeltet ændrer sig, " tilføjede Schloss. "Og vi kan behandle det hurtigere, end vi indsamler det, så vi kan detektere det dynamiske magnetfelts retning og amplitude i realtid."

Værktøjet bygger på tidligere arbejde af Schloss, Turner, Barry, og andre, som brugte NV-centre i diamanter til at detektere neurale signaler i marineorme.

"Det var et godt bevis på princippet. Men et bredt anvendeligt neurovidenskabeligt værktøj burde være kompatibelt med pattedyrneuroner, " sagde Schloss. "Men det er udfordrende, fordi en række af fyrende neuroner producerer magnetiske felter orienteret i alle retninger. Denne teknik løser det problem for neuronmagnetisk sansning og andre fremtidige applikationer."

En grund til at NV-centre er ideelle til opgaven, Schloss og Turner sagde, har at gøre med måden de er arrangeret i diamantgitteret.

"Hvis du tager en diamant, du får et NV-center, når du erstatter et kulstofatom med et nitrogenatom og et tilstødende kulstof med en ledig plads, " sagde Schloss. "I gitteret, hvert atom er forbundet med fire andre atomer, så der er fire mulige NV-retninger, og hver orientering er mest følsom over for magnetiske felter, der peger i den retning. Så ved at bruge alle fire typer NV'er, du kan finde ud af, hvilken retning magnetfeltet peger."

At måle det magnetiske felt, der detekteres af de forskelligt orienterede NV-centre, er lettere sagt end gjort. Det nye system involverer at placere en diamantwafer i et laboratoriegenereret magnetfelt og derefter lyse en laser på det, får materialet til at fluorescere. Da NV-centrene reagerer på ændringer i magnetfeltet såvel som det specielle FM-mikrobølgesignalmønster, lysstyrken af ​​NV-fluorescensen ændres på en tydelig måde. Ved at spore disse ændringer, forskerne kan skabe et 3D-billede af magnetfeltet.

"Det statiske felt er det, der interagerer med de forskellige NV-orienteringer, " sagde Turner. "Og mens vi demodulerer det mikrobølgesignal, vi kan registrere signalet fra hver af dem."

"Det er innovationen - at bruge fire FM-mikrobølgetoner på én gang, Schloss tilføjede. "Nu kan vi samtidig måle alle fire NV-orienteringer på én gang og bestemme magnetfeltet hurtigere end før, som at lytte til fire FM-radiostationer på én gang og få det hele til at give mening."

Selvom teknologien endnu ikke er blevet demonstreret med pattedyrneuroner, Schloss sagde, undersøgelsen er et vigtigt proof of concept for et værktøj, der en dag kan have bred anvendelse.

"Det, vi godt kan lide ved det her, er, at det er bredt anvendeligt, og det er i virkeligheden kun en mindre eksperimentel opgradering af, hvad folk allerede gør, " sagde hun. "Vi forventer, at dette kan blive vedtaget meget bredt i biologi, i kondenseret stof fysik, og andre steder."

Denne historie er offentliggjort med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitys officielle avis. For yderligere universitetsnyheder, besøg Harvard.edu.