La risonanza magnetica nucleare (NMR) è un potente strumento scientifico utilizzato nell'imaging medico e nell'analisi della struttura chimica di molecole e composti. Una nuova ricerca della Brown University mostra una tecnica che aiuta ad adattare l'NMR per studiare le proprietà fisiche dei film sottili, nanomateriali bidimensionali e stati esotici della materia.

L'NMR prevede l'applicazione di un forte campo magnetico per campionare e quindi lo zapping con impulsi di onde radio. Il campo magnetico allinea i momenti magnetici, o "gira, " dei nuclei atomici all'interno del campione. Le onde radio capovolgeranno gli spin di alcuni nuclei nella direzione opposta, a seconda della frequenza delle onde. Gli scienziati possono utilizzare il segnale associato agli spin flip a frequenze diverse per creare immagini o per determinare la struttura molecolare di un campione.

"L'NMR è una tecnica molto utile, ma il segnale che ottieni è molto debole, " ha detto Vesna Mitrovic, professore associato di fisica e autore senior della ricerca, che è pubblicato in Rassegna di strumenti scientifici . "Per ottenere un segnale utilizzabile, devi rilevare molti giri, il che significa che hai bisogno di molto materiale, relativamente parlando. Gran parte del lavoro che stiamo facendo ora in fisica è con pellicole sottili che fanno parte di piccoli dispositivi o materiali che hanno minuscoli cristalli con forme strane, ed è davvero difficile ottenere un segnale NMR in quei casi."

Parte del problema ha a che fare con la geometria della sonda utilizzata per fornire gli impulsi radio e rilevare il segnale associato. Di solito è un solenoide, una bobina cilindrica di filo all'interno della quale viene posto il campione. Il segnale NMR è più forte quando un campione occupa la maggior parte dello spazio disponibile all'interno del cilindro. Ma se il campione è piccolo rispetto al volume del cilindro, come lo sarebbero i film sottili e i nanomateriali, il segnale si indebolisce quasi a zero.

Ma negli ultimi anni, Il laboratorio di Mitrovic a Brown ha utilizzato bobine NMR piatte per una varietà di esperimenti volti a esplorare materiali esotici e strani stati della materia. Le bobine piatte possono essere posizionate direttamente sopra o molto vicino a un campione, e di conseguenza non risentono della perdita di segnale di un solenoide. Questi tipi di bobine NMR esistono da anni e vengono utilizzati per alcune applicazioni specifiche nell'imaging NMR, Mitrovic dice, ma non sono stati usati nello stesso modo in cui li ha usati il ​​suo laboratorio.

Per quest'ultima ricerca, Mitrovic e i suoi colleghi hanno dimostrato che le bobine piatte non sono utili solo per aumentare il segnale NMR, ma che diverse geometrie di bobine piatte possono massimizzare il segnale per campioni di diverse forme e in diversi tipi di esperimenti.

Ad esempio, in esperimenti che utilizzano film sottili del fosfato di indio semiconduttore, i ricercatori hanno dimostrato che campioni molto piccoli producono il maggior segnale quando posizionati al centro di un appartamento, bobina circolare. Per campioni più grandi, e per esperimenti in cui è importante variare l'orientamento del campo magnetico esterno, una forma a meandro (una linea che fa una serie di curve ad angolo retto) ha funzionato meglio.

La capacità di ottenere un segnale a diversi orientamenti del campo magnetico è importante, dice Mitrovic. "Ci sono materiali esotici e stati fisici interessanti che possono essere sondati solo con determinati orientamenti del campo magnetico, " ha detto. "Quindi sapere come ottimizzare la nostra sonda per questo è davvero utile."

Un altro vantaggio delle bobine piatte è che offre agli sperimentatori l'accesso al loro campione, invece di averlo ingabbiato all'interno di un solenoide.

"Molti degli stati che ci interessano sono indotti manipolando il campione, applicandogli una corrente elettrica o applicandogli uno stress, " Ha detto Mitrovic. "Le bobine piatte rendono molto più facile essere in grado di fare quelle manipolazioni".

Mitrovic spera che la guida fornita da questa ricerca su come ottimizzare le bobine piatte sarà utile ad altri fisici interessati all'uso dell'NMR per studiare materiali e stati della materia esotici.