Forskere demonstrerer teoretisk påvisning af et enkelt nuklear spin ved stuetemperatur

For første gang, en forsker ved University of Waterloo har teoretisk vist, at det er muligt at opdage et enkelt atomspin ved stuetemperatur, som kunne bane vejen for nye tilgange til medicinsk diagnostik.

Udgivet i tidsskriftet Naturnanoteknologi denne uge, Amir Yacoby fra University of Waterloo, sammen med kolleger fra University of Basel og RWTH Aachen University, foreslå et teoretisk skema, der kan føre til forbedret nuklear magnetisk resonans (NMR) billeddannelse af biologiske materialer i den nærmeste fremtid ved hjælp af svage magnetfelter.

Måling af spin er rutine i aktuelle billeddannelsesenheder, såsom magnetisk resonansbilleddannelse, fordi nuklear spin genererer magnetiske felter. Imidlertid, svage magnetfelter som dem på atomniveau er svære at opdage ved hjælp af nuværende teknologi. Tilføj støj i feltet, og detekteringen er vanskeligere. Endnu, ifølge det nye papir, når der placeres en magnet i blandingen, detektion kan opnås med svage felter.

"Der er stor interesse for at måle signaturer af svage magnetfelter, "sagde Yacoby, Fremstående forskningsformand i kondenseret materie i Institut for Fysik og Astronomi og associeret medlem af Institute for Quantum Computing ved University of Waterloo. "Vores forslag kan føre til bedre billeddannelse for nanoskala nuklear magnetisk resonans (NMR) på biologisk materiale under støjende forhold."

Tænk på en tung person, der sidder på en gynge. En meget stærk person kunne skubbe gyngen. Det er også muligt for en mindre, svagere person til at flytte svinget med jævne mellemrum med mindre kraft, da hvert skub resulterer i en større bevægelse. Sådan svinger vi os selv - selv med en svag kilde, det er muligt til sidst at få et stort svar.

Yacoby og hans kolleger teoretiserer, at ved at placere en lille ferromagnetisk partikel mellem et kvantum bit (qubit) magnetometer med kvantitet og kilden-nuklear spin-øges magnetometerets følsomhed. De stærkt korrelerede elektronspins i magneten og deres kollektive excitation kan bruges til at forstærke det svage signal fra kilden. Modulering af kilden vil langsomt resonere med magneten og begynde at bygge styrke, ligesom gyngen. Et qubit magnetometer kan derefter aflæse magnetens større respons.

Fungerer som en forstærker, den ferromagnetiske partikel kan registrere et enkelt spin i en afstand på 30 nanometer (nm) ved stuetemperatur. Tidligere forsøg uden magnet krævede at placere detektoren umuligt tæt på kilden, kun 1-2 nm. Tilføjelse af den magnetiske partikel gør det muligt for sensoren at være længere væk fra systemet, mindsker chancen for, at sensoren ødelægger den, og alligevel stadig i stand til at detektere et målbart signal.

Papiret analyserer teoretisk gennemførligheden af ​​den fuldt klassiske ordning. Konceptuelt er forslaget ganske enkelt, men mens implementeringen har sine udfordringer, undersøgelser mener, at det er langt mindre skrøbeligt end et kvanteskema. Disse resultater, i kombination med Yacobys anden forskning om forbedring af opløsning, kunne se forbedret NMR -billeddannelse af biologiske materialer i den nærmeste fremtid.