Immagina un sensore così sensibile da poter rilevare i cambiamenti nella concentrazione di protoni di una singola proteina, all'interno di una singola cella. Questo livello di conoscenza rivelerebbe sfuggenti dinamiche su scala quantistica della funzione di quella proteina, potenzialmente anche in tempo reale, ma richiede un sensore con caratteristiche controllabili su una scala simile.

Grazie ad una nuova tecnica di fabbricazione, le capacità di rilevamento quantistico si stanno ora avvicinando a questa scala di precisione. Come riportano questa settimana in Lettere di fisica applicata , ricercatori in Giappone hanno formato in modo riproducibile un insieme allineato di sensori quantistici chiamati centri di vacanza di azoto (NV), solo nanometri dalla superficie del suo substrato.

Verificato da misurazioni di risonanza magnetica nucleare (NMR) su nanoscala, questi risultati segnano un chiaro percorso verso la progettazione a livello atomico di sensori quantistici con aree di superficie più ampie di quelle normalmente ottenibili. Questa è la prima dimostrazione di questa misurazione NMR su nanoscala con perfettamente allineati, centri NV ad alta densità vicino alla superficie, segnando un enorme passo avanti per la ricerca sulla magnetometria quantistica.

"Il modo per combinare conteggi elevati e contrasto elevato è avere l'allineamento, perché quando si ha l'allineamento si ha sostanzialmente il vantaggio dei singoli NV combinati con gli alti conteggi ottenuti dai centri NV dell'ensemble, ", ha affermato Hitoshi Ishiwata del Tokyo Institute of Technology e autore principale del documento. "Quindi è quello che abbiamo fatto fondamentalmente, molto vicino alla superficie, entro 10 nanometri, e lo abbiamo dimostrato con una misurazione SIMS [Spettrometria di massa di ioni secondari], oltre a misurare nano NMR, che mostra l'approssimazione della distanza dei NV dalla superficie."

centri NV, già uno strumento popolare nel mondo del rilevamento quantistico, sono tipi specifici di impurità nella struttura cristallina del diamante. Per una singola unità di configurazione altrimenti puramente carbonio del diamante, il centro NV è costituito da un atomo di azoto adiacente a un atomo mancante (vacante) nel reticolo del cristallo. Questo difetto può verificarsi in una delle quattro possibili posizioni nel cristallo dell'unità, e ciascuno fornisce un segnale a fotone singolo la cui firma spettrale è dipendente dallo spin nucleare.

La nuova tecnica utilizza una combinazione di deposizione chimica da vapore (CVD) e lucidatura direzionale per controllare come si formano i NV nel reticolo. Per il loro substrato di diamante, che ha una superficie comunemente allineata, dove il reticolo è orientato lungo lo stesso piano cristallografico (chiamato in questo caso 111), Ishiwata ei suoi colleghi hanno realizzato insiemi di NV tutti con lo stesso orientamento. Per un substrato di circa 10 micron di diametro, poco meno della larghezza di un capello umano, il loro metodo può produrre da qualche parte circa 10, 000 tali centri entro 10 nanometri dalla superficie.

NV nelle stesse rispettive posizioni delle loro unità di cristallo e così vicino alla superficie, il gruppo potrebbe condurre il rilevamento NMR su scala nanometrica del fluoro nell'olio che entra in contatto con il substrato. L'affidabilità del loro metodo di fabbricazione ha (letteralmente) applicazioni di vasta portata per misurazioni ad ampio campo, garantendo il rilevamento ad alto contrasto su aree campione relativamente grandi.

"L'altro vantaggio dei centri NV ad alta densità con allineamento è l'esecuzione di immagini ad ampio campo con un'elevata sensibilità, " Ha detto Ishiwata. "Prima era impossibile avere un'elevata sensibilità per l'imaging a largo campo a causa della difficoltà di ottenere l'allineamento dei centri NV ad alta densità. Con la nostra tecnica, è ora possibile l'imaging a largo campo ad alto contrasto con un elevato rapporto segnale/rumore, che porta a immagini ad ampio campo ad alta sensibilità."

Mentre il gruppo continua a cercare modi per migliorare ulteriormente il metodo, stanno anche cercando di esplorare le applicazioni di questi insiemi nel rilevamento risolto nel tempo, utilizzando laser pulsati per fornire informazioni sui protoni in tempo reale di campioni dinamici. Lo stesso Ishiwata era particolarmente entusiasta delle possibilità di comprendere le cellule biologiche come mai prima d'ora.

"Un'applicazione futura di questo materiale è l'osservazione delle singole membrane cellulari perché il nostro materiale è adatto per l'osservazione NMR su scala nanometrica sulla scala del volume di 17 nanometri cubi, che è paragonabile allo spessore delle membrane cellulari (~5 nanometri), " Ha detto Ishiwata. "Così potremmo usare questo materiale e questa tecnica di misurazione per sondare localmente l'attività su scala nanometrica delle proteine ​​​​che esiste nella membrana cellulare con un'elevata sensibilità".