Immagina di provare a dare un senso alla cacofonia di un altoparlante che suona quattro canzoni contemporaneamente, e hai un'idea della sfida affrontata da Jenny Schloss e Matt Turner.

Nella loro ricerca per costruire uno strumento che utilizzi i centri NV - impurità su scala atomica nei diamanti - per rilevare i campi magnetici in qualsiasi cosa, dai neuroni attivi ai sistemi di materia condensata, la coppia di dottorandi i candidati della Graduate School of Arts and Sciences hanno sviluppato un metodo in grado di rilevare contemporaneamente campi magnetici in varie direzioni. Schloss e Turner hanno lavorato con il postdoc John Barry (ora ricercatore presso il MIT Lincoln Laboratory) nel laboratorio di Ronald Walsworth, un membro di facoltà presso il Center for Brain Science di Harvard e il Dipartimento di Fisica.

castello, Turner, e Barry ha bombardato un minuscolo, Wafer quadrato di 4 millimetri di diamante con quattro diversi segnali a microonde, ognuno dei quali è stato sintonizzato per monitorare uno specifico orientamento NV e retinato secondo un modello di modulazione di frequenza (FM) unico. I ricercatori hanno quindi potuto misurare simultaneamente come ogni orientamento NV ha risposto a diverse direzioni di un campo magnetico, quasi come se stessero ascoltando quattro stazioni radio FM contemporaneamente. Il lavoro è descritto in un nuovo articolo pubblicato su Revisione fisica applicata .

I ricercatori hanno affermato che il nuovo strumento rappresenta un netto miglioramento rispetto alle tecniche precedenti, che ha richiesto ai ricercatori di passare attraverso il lungo processo di commutazione sequenziale tra le frequenze delle microonde per monitorare la risposta dei centri NV diversamente orientati.

"Ma con questo nuovo metodo, possiamo farli tutti allo stesso tempo, "Ha detto Turner. "Alla vecchia maniera, andava bene per i processi lenti. Ma per cose veloci come i campi biomagnetici prodotti dall'attivazione dei neuroni, dobbiamo fare di meglio, o potremmo perdere alcune informazioni."

"Quindi raccogliamo questo flusso costante di dati dal diamante mentre il campo magnetico cambia, " ha aggiunto Schloss. "E possiamo elaborarlo più velocemente di quanto lo raccogliamo, così possiamo rilevare la direzione e l'ampiezza del campo magnetico dinamico in tempo reale".

Lo strumento si basa sul lavoro precedente di Schloss, Turner, Barry, e altri, che ha utilizzato i centri NV nei diamanti per rilevare i segnali neurali nei vermi marini.

"È stata una grande prova di principio. Ma uno strumento di neuroscienza ampiamente utile dovrebbe essere compatibile con i neuroni dei mammiferi, " ha detto Schloss. "Ma questo è impegnativo perché una serie di neuroni che attivano produce campi magnetici orientati in tutte le direzioni. Questa tecnica risolve questo problema per il rilevamento magnetico dei neuroni e altre applicazioni future".

Uno dei motivi per cui i centri NV sono ideali per questo compito, Schloss e Turner hanno detto, ha a che fare con il modo in cui sono disposti nel reticolo del diamante.

"Se prendi un diamante, ottieni un centro NV quando sostituisci un atomo di carbonio con un atomo di azoto e un carbonio adiacente con un posto vacante, " Schloss ha detto. "Nel reticolo, ogni atomo è connesso ad altri quattro atomi, quindi ci sono quattro possibili orientamenti NV, e ogni orientamento è più sensibile ai campi magnetici che puntano in quella direzione. Quindi, utilizzando tutti e quattro i tipi di NV, puoi capire in quale direzione punta il campo magnetico."

Misurare il campo magnetico rilevato da quei centri NV diversamente orientati è più facile a dirsi che a farsi. Il nuovo sistema prevede il posizionamento di un wafer di diamante in un campo magnetico generato in laboratorio e poi il puntamento di un laser su di esso, provocando la fluorescenza del materiale. Poiché i centri NV rispondono alle variazioni del campo magnetico e allo speciale schema del segnale a microonde FM, la luminosità della fluorescenza NV cambia in modo distinto. Tracciando questi cambiamenti, i ricercatori possono creare un'immagine 3D del campo magnetico.

"Il campo statico è ciò che interagisce con i vari orientamenti NV, "Ha detto Turner. "E mentre demoduliamo quel segnale a microonde, possiamo rilevare il segnale da ciascuno di essi."

"Questa è l'innovazione:utilizzare quattro toni di microonde FM contemporaneamente, " ha aggiunto Schloss. "Ora possiamo misurare contemporaneamente tutti e quattro gli orientamenti NV contemporaneamente e determinare il campo magnetico più rapidamente di prima, come ascoltare quattro stazioni radio FM contemporaneamente e avere tutto un senso."

Sebbene la tecnologia non sia stata ancora dimostrata con i neuroni dei mammiferi, Schloss ha detto, lo studio è un'importante prova di concetto per uno strumento che un giorno potrebbe avere ampi utilizzi.

"La cosa che ci piace di questo è che è ampiamente applicabile, ed è davvero solo un piccolo aggiornamento sperimentale a ciò che le persone stanno già facendo, " ha detto. "Ci aspettiamo che questo possa essere adottato in modo molto ampio in biologia, nella fisica della materia condensata, e altrove."

Questa storia è pubblicata per gentile concessione della Harvard Gazette, Il giornale ufficiale dell'Università di Harvard. Per ulteriori notizie universitarie, visita Harvard.edu.