Målretning mod individuelle atomer

Nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi er en af ​​de vigtigste metoder til fysisk -kemisk analyse. Det kan bruges til at bestemme præcise molekylære strukturer og dynamik. Betydningen af ​​denne metode fremgår også af anerkendelsen af ​​ETH Zürichs to seneste nobelpristagere, Richard Ernst og Kurt Wüthrich, for deres bidrag til at forfine metoden.

Teknikken er baseret på nuklear magnetisk resonans, hvilket udnytter det faktum, at visse atomkerner interagerer med et magnetfelt. En nøglefaktor her er atomspin, som kan sammenlignes med spinding af en barntop. Ligner en top, der begynder at vakle, et fænomen kaldet precession, atomspin, der udsættes for et magnetfelt, begynder at foregå. Dette genererer et elektromagnetisk signal, der kan måles ved hjælp af en induktionsspole.

Højere opløsning

Et team af forskere under ledelse af Christian Degen, Professor i solid-state fysik ved ETH Zürich, har udviklet en ny tilgang, gør det muligt direkte at spore forekomsten af ​​enkelte nukleare spins. Sammenlignet med, konventionelle NMR -målinger kræver normalt mindst 10 ¹² til 10 ¹⁸ atomkerner for at registrere et målesignal.

I deres projekt, ETH-forskerne analyserede opførslen af ​​carbon-13 atomer i diamanter. I stedet for at bruge konventionelle metoder til at måle prækessionen i carbonkernen, de brugte centrifugeringen af ​​en tilstødende elektron i et NV-center-en ufuldkommenhed i diamantens krystalgitter-som en sensor. Kristian Cujia, en doktorand i Degens gruppe, opsummerer princippet således:"Vi bruger et andet kvantesystem til at studere det første kvantesystems adfærd. På denne måde, vi skabte en meget følsom måling. "

Mulighed for fremtidige applikationer

Quantum -systemer er svære at fastslå, da enhver måling også vil påvirke det system, der observeres. Derfor, forskerne var ude af stand til at spore prækessionen kontinuerligt; dens bevægelse ville være blevet ændret for drastisk. For at løse dette problem, de udviklede en særlig målemetode til at fange kulstofatomets spin gennem en række svage målinger hurtigt efter hinanden. Som resultat, de var i stand til at holde indflydelsen fra deres observation så lille, at de ikke kunne påvirke systemet målbart, efterlader den originale cirkulære bevægelse.

"Vores metode baner vejen for bemærkelsesværdige fremskridt inden for NMR -teknologi, "Degen forklarer." Dette muligvis muliggør, at vi direkte kan optage spektre for individuelle molekyler og analysere strukturer på atomniveau. "Som et første eksempel, fysikerne identificerede den tredimensionelle position af carbonkernerne i diamantgitteret med atomopløsning. Fysikerne ser et stort potentiale i denne udvikling. Sådanne detaljerede NMR -målinger kan føre til helt ny indsigt på mange områder, som det allerede har været tilfældet med konventionel NMR -spektroskopi i de seneste årtier. "

Undersøgelsen er offentliggjort i Natur .