Ricercatori di QuTech, una collaborazione di TU Delft e TNO, hanno sviluppato una nuova tecnologia di rilevamento quantistico magnetico in grado di acquisire immagini di campioni con una risoluzione su scala atomica. Apre la porta verso l'imaging di singole molecole, come proteine ​​e altri sistemi complessi, atomo per atomo. Il team riferisce sui propri risultati in Natura il 18 dicembre.

La risonanza magnetica (MRI) e la risonanza magnetica nucleare (NMR) sono metodi potenti e ampiamente utilizzati nella scienza dei materiali, biologia, chimica e medicina. Molti nuclei atomici hanno una proprietà chiamata spin. I nuclei atomici si comportano come piccoli magneti che generano minuscoli campi magnetici, che può essere rilevato tramite antenne.

L'imaging magnetico non è invasivo, possono distinguere diversi tipi di atomi, e funziona in una vasta gamma di condizioni, anche a temperatura ambiente. Ma i metodi attuali sono limitati alla media su grandi volumi con grandi quantità di atomi, e l'imaging di singole molecole o strutture su nanoscala non è possibile. I ricercatori di QuTech hanno ora compiuto un importante passo avanti verso il superamento di tale limitazione.

Sensori quantistici

"Il nostro lavoro si basa sul centro per le vacanze di azoto (NV), " ha detto il primo autore Mohamed Abobeih. "Questo centro NV si trova naturalmente nel diamante:due atomi di carbonio sono sostituiti da un singolo atomo di azoto. Il centro intrappola uno spin di un singolo elettrone che può funzionare come un sensore di dimensioni atomiche. Manipolando con precisione questo elettrone possiamo raccogliere selettivamente i minuscoli campi magnetici creati dai nuclei nelle vicinanze".

"In QuTech generalmente usiamo questi centri NV come bit quantistici, gli elementi costitutivi dei futuri computer quantistici e dell'internet quantistica. Ma le stesse proprietà che rendono i centri NV buoni bit quantistici, li rendono anche buoni sensori quantistici, " ha detto Tim Taminiau, investigatore capo.

Immagini 3D

Taminiau ha spiegato che il suo team si è basato su ricerche precedenti osservando spin nucleari ben isolati. "Questi studi precedenti hanno indicato che il centro NV è abbastanza sensibile da risolvere i piccoli segnali dei singoli nuclei. Ma per l'imaging di campioni complessi come le molecole, solo rilevare gli spin nucleari non è sufficiente, " ha spiegato Taminiau. "È necessario determinare con precisione la posizione di ogni rotazione nel campione, ed è quello che abbiamo deciso di fare".

"Abbiamo sviluppato un metodo per ottenere la struttura 3-D di sistemi di spin complessi, ", ha detto il co-autore Joe Randall. "Ogni spin nucleare sente il campo magnetico di tutti gli altri spin nucleari. Queste interazioni dipendono dalle posizioni precise degli atomi e quindi codificano la struttura spaziale. Per esempio, due atomi che sono più vicini tra loro tendono ad interagire più fortemente. Abbiamo sviluppato metodi per misurare con precisione queste interazioni e trasformarle in un'immagine 3D completa con risoluzione atomica".

Risoluzione su scala atomica

Per testare il loro metodo, i ricercatori lo hanno applicato a un gruppo di 27 atomi di carbonio-13 in un diamante altamente puro. Questo gruppo di spin fornisce un sistema modello per una molecola. Dopo aver misurato più di 150 interazioni tra i nuclei ed eseguito un intenso algoritmo di ricostruzione numerica, la struttura 3D completa è stata ottenuta con una precisione spaziale molto più piccola delle dimensioni di un atomo.

Percependo fuori dal diamante

Il passaggio successivo consiste nel rilevare i campioni al di fuori del diamante avvicinando i centri NV alla superficie. L'obiettivo finale è quello di essere in grado di immaginare singole molecole, come proteine, e singoli dispositivi quantistici con risoluzione atomica.

La pubblicazione in Natura è una collaborazione di QuTech e Element Six, che ha coltivato i diamanti ultrapuri utilizzati nella ricerca.