Forskere rapporterer MR på atomskalaen

Forskere ved QuTech, et samarbejde mellem TU Delft og TNO, har udviklet en ny magnetisk kvantesensorteknologi, der kan afbilde prøver med opløsning i atomskala. Det åbner døren til billeddannelse af individuelle molekyler, som proteiner og andre komplekse systemer, atom for atom. Holdet rapporterer om deres resultater i Natur den 18. december.

Magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og kernemagnetisk resonans (NMR) er kraftfulde og meget udbredte metoder inden for materialevidenskab, biologi, kemi og medicin. Mange atomkerner har en egenskab kaldet spin. Atomkerner opfører sig som små magneter, der genererer små magnetfelter, som kan detekteres ved hjælp af antenner.

Magnetisk billeddannelse er ikke-invasiv, kan skelne forskellige typer atomer, og arbejder under en lang række forhold, herunder ved stuetemperatur. Men nuværende metoder er begrænset til at tage et gennemsnit over store mængder med store mængder atomer, og billeddannelse af individuelle molekyler eller nanoskalastrukturer er ikke muligt. Forskere ved QuTech har nu gjort et vigtigt fremskridt i retning af at overvinde den begrænsning.

Kvante sensorer

"Vores arbejde er baseret på nitrogen ledige stillinger (NV) center, " sagde førsteforfatter Mohamed Abobeih. "Dette NV-center forekommer naturligt i diamant:to carbonatomer er erstattet af et enkelt nitrogenatom. Centret fanger et enkelt elektronspin, der kan fungere som en sensor i atomstørrelse. Ved præcist at manipulere denne elektron kan vi selektivt opfange de små magnetiske felter skabt af kerner i nærheden."

"Hos QuTech bruger vi generelt disse NV-centre som kvantebits, byggestenene til fremtidens kvantecomputere og kvanteinternettet. Men de samme egenskaber, der gør NV-centre til gode kvantebits, også gøre dem til gode kvantesensorer, sagde Tim Taminiau, ledende efterforsker.

3-D billeddannelse

Taminiau forklarede, at hans team byggede på tidligere forskning, der observerede velisolerede nukleare spins. "Disse tidligere undersøgelser indikerede, at NV-centret er følsomt nok til at løse de små signaler fra individuelle kerner. Men til billeddannelse af komplekse prøver såsom molekyler, bare at opdage nukleare spins er ikke nok, " forklarede Taminiau. "Du skal præcist bestemme placeringen af ​​hvert spin i prøven, og det er det, vi har sat os for at gøre."

"Vi udviklede en metode til at opnå 3D-strukturen af ​​komplekse spin-systemer, " sagde medforfatter Joe Randall. "Hvert nuklear spin føler magnetfeltet fra alle de andre nukleare spins. Disse interaktioner afhænger af atomernes præcise positioner og koder derfor for den rumlige struktur. For eksempel, to atomer, der er tættere på hinanden, har en tendens til at interagere stærkere. Vi udviklede metoder til præcist at måle disse interaktioner og til at transformere dem til et komplet 3D-billede med atomopløsning."

Atom-skala opløsning

For at teste deres metode, forskerne anvendte det på en klynge af 27 kulstof-13 atomer i en meget ren diamant. Denne klynge af spins giver et modelsystem for et molekyle. Efter at have målt mere end 150 interaktioner mellem kernerne og kørt en intens numerisk rekonstruktionsalgoritme, den komplette 3-D struktur blev opnået med en rumlig præcision meget mindre end størrelsen af ​​et atom.

Sanser uden for diamanten

Det næste trin er at detektere prøver uden for diamanten ved at bringe NV-centre tæt på overfladen. Det ultimative mål er at være i stand til at afbilde individuelle molekyler, såsom proteiner, og enkelte kvanteenheder med atomopløsning.

Udgivelsen i Natur er et samarbejde mellem QuTech og Element Six, som dyrkede de ultrarene diamanter, der blev brugt i forskningen.