La spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) è uno dei metodi più importanti di analisi fisico-chimica. Può essere utilizzato per determinare strutture molecolari e dinamiche precise. L'importanza di questo metodo è testimoniata anche dal riconoscimento dei due ultimi premi Nobel dell'ETH di Zurigo, Richard Ernst e Kurt Wüthrich, per il loro contributo all'affinamento del metodo.

La tecnica si basa sulla risonanza magnetica nucleare, che sfrutta il fatto che certi nuclei atomici interagiscono con un campo magnetico. Un fattore chiave qui è lo spin nucleare, che può essere paragonato alla rotazione della trottola di un bambino. Simile a un top che inizia a traballare, un fenomeno chiamato precessione, gli spin nucleari esposti a un campo magnetico iniziano a precedere. Questo genera un segnale elettromagnetico che può essere misurato utilizzando una bobina di induzione.

Risoluzione più alta

Un team di ricercatori guidato da Christian Degen, Professore di Fisica dello Stato Solido all'ETH di Zurigo, ha sviluppato un nuovo approccio, consentendo di tracciare direttamente la precessione dei singoli spin nucleari. In confronto, le misurazioni NMR convenzionali di solito richiedono almeno 10 ¹² a 10 ¹⁸ nuclei atomici per registrare un segnale di misura.

Nel loro progetto, i ricercatori dell'ETH hanno analizzato il comportamento degli atomi di carbonio-13 nei diamanti. Piuttosto che utilizzare metodi convenzionali per misurare la precessione del nucleo di carbonio, hanno usato lo spin di un elettrone adiacente in un centro N-V, un'imperfezione nel reticolo cristallino del diamante, come sensore. Kristian Cujia, uno studente di dottorato nel gruppo di Degen, riassume così il principio:"Utilizziamo un secondo sistema quantistico per studiare il comportamento del primo sistema quantistico. In questo modo, abbiamo creato un metodo di misurazione molto sensibile."

Potenziale per applicazioni future

I sistemi quantistici sono difficili da definire, poiché qualsiasi misurazione influenzerà anche il sistema osservato. Perciò, i ricercatori non sono stati in grado di seguire continuamente la precessione; il suo movimento sarebbe stato cambiato troppo drasticamente. Risolvere questo problema, hanno sviluppato uno speciale metodo di misurazione per catturare lo spin dell'atomo di carbonio attraverso una serie di misurazioni deboli in rapida successione. Di conseguenza, sono stati in grado di mantenere l'influenza della loro osservazione così piccola da non influenzare il sistema in modo misurabile, lasciando percepibile il moto circolare originario.

"Il nostro metodo apre la strada a notevoli progressi nella tecnologia NMR, " Spiega Degen. "Questo ci permette potenzialmente di registrare direttamente gli spettri delle singole molecole e analizzare le strutture a livello atomico." Come primo esempio, i fisici hanno identificato la posizione tridimensionale dei nuclei di carbonio nel reticolo del diamante con risoluzione atomica. I fisici vedono un enorme potenziale in questo sviluppo. Tali misurazioni NMR dettagliate potrebbero portare a intuizioni completamente nuove in molte aree, come è già avvenuto con la spettroscopia NMR convenzionale negli ultimi decenni".

Lo studio è pubblicato su Natura .