I diamanti possono essere i migliori amici di una ragazza, ma potrebbero anche aiutarci un giorno a capire come il cervello elabora le informazioni, grazie a una nuova tecnica di rilevamento sviluppata al MIT.

Un team del Quantum Engineering Group del MIT ha sviluppato un nuovo metodo per controllare i sensori di diamante su scala nanometrica, che sono in grado di misurare campi magnetici anche molto deboli. I ricercatori presentano il loro lavoro questa settimana sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

La nuova tecnica di controllo consente ai minuscoli sensori di monitorare come questi campi magnetici cambiano nel tempo, come quando i neuroni nel cervello si trasmettono segnali elettrici tra loro. Potrebbe anche consentire ai ricercatori di misurare con maggiore precisione i campi magnetici prodotti da nuovi materiali come i metamateriali utilizzati per realizzare superlenti e "mantelli dell'invisibilità".

Nel 2008 un team di ricercatori del MIT, Università di Harvard, e altre istituzioni hanno rivelato per la prima volta che i difetti su scala nanometrica all'interno dei diamanti potrebbero essere utilizzati come sensori magnetici.

I difetti naturali, noti come centri di azoto vacante (N-V), sono sensibili ai campi magnetici esterni, proprio come i compassi, dice Paola Cappellaro, l'Ester e Harold Edgerton Professore Associato di Scienza e Ingegneria Nucleare (NSE) al MIT.

I difetti all'interno dei diamanti sono noti anche come centri di colore, Cappellaro dice, in quanto conferiscono alle gemme una tonalità particolare:"Quindi, se mai vedessi un bel diamante blu o rosa, il colore è dovuto al fatto che ci sono dei difetti nel diamante."

Il difetto centrale N-V è costituito da un atomo di azoto al posto di un atomo di carbonio e accanto a un vuoto, o cavo, all'interno della struttura reticolare del diamante. Molti di questi difetti all'interno di un diamante darebbero alla gemma un colore rosa, e quando illuminati di luce emettono una luce rossa, dice Cappellaro.

Per sviluppare il nuovo metodo di controllo di questi sensori, La squadra di Cappellaro ha prima sondato il diamante con luce laser verde fino a quando non hanno rilevato l'emissione di una luce rossa, che ha detto loro esattamente dove si trovava il difetto.

Hanno quindi applicato un campo a microonde al sensore su nanoscala, manipolare lo spin dell'elettrone del centro N-V. Ciò altera l'intensità della luce emessa dal difetto, in misura che dipende non solo dal campo delle microonde ma anche da eventuali campi magnetici esterni presenti.

Per misurare i campi magnetici esterni e come cambiano nel tempo, i ricercatori hanno preso di mira il sensore su nanoscala con un impulso a microonde, che ha cambiato la direzione dello spin dell'elettrone del centro N-V, dice il membro del team e studente laureato NSE Alexandre Cooper. Applicando diverse serie di questi impulsi, agendo come filtri, ognuno dei quali ha cambiato la direzione dello spin dell'elettrone un numero diverso di volte, il team è stato in grado di raccogliere in modo efficiente informazioni sul campo magnetico esterno.

Hanno quindi applicato tecniche di elaborazione del segnale per interpretare queste informazioni e le hanno utilizzate per ricostruire l'intero campo magnetico. "Così possiamo ricostruire l'intera dinamica di questo campo magnetico esterno, che ti dà maggiori informazioni sui fenomeni sottostanti che stanno creando il campo magnetico stesso, "dice Cappellaro.

Il team ha utilizzato un quadrato di diamante di tre millimetri di diametro come campione, ma è possibile utilizzare sensori che misurano solo decine di nanometri. I sensori diamantati possono essere utilizzati a temperatura ambiente, e poiché sono costituiti interamente da carbonio, potrebbero essere iniettati nelle cellule viventi senza causare loro alcun danno, dice Cappellaro.

Una possibilità sarebbe quella di far crescere neuroni sopra il sensore a diamante, per consentirgli di misurare i campi magnetici creati dal "potenziale d'azione, " o segnale, producono e poi trasmettono ad altri nervi.

In precedenza, i ricercatori hanno utilizzato elettrodi all'interno del cervello per "colpire" un neurone e misurare il campo elettrico prodotto. Però, questa è una tecnica molto invasiva, dice Cappellaro. "Non sai se il neurone si sta ancora comportando come si sarebbe comportato se tu non avessi fatto nulla, " lei dice.

Anziché, il sensore a diamante potrebbe misurare il campo magnetico in modo non invasivo. "Potremmo avere una serie di questi centri di difetti per sondare diverse posizioni sul neurone, e poi sapresti come il segnale si propaga da una posizione all'altra nel tempo, "dice Cappellaro.

Negli esperimenti per dimostrare il loro sensore, il team ha utilizzato una guida d'onda come neurone artificiale e ha applicato un campo magnetico esterno. Quando hanno posizionato il sensore a diamante sulla guida d'onda, sono stati in grado di ricostruire accuratamente il campo magnetico. Michael Lukin, professore di fisica ad Harvard, afferma che il lavoro dimostra molto bene la capacità di ricostruire profili dipendenti dal tempo di deboli campi magnetici utilizzando un nuovo sensore magnetico basato sulla manipolazione quantistica dei difetti nel diamante.

"Un giorno le tecniche dimostrate in questo lavoro potrebbero consentirci di rilevare in tempo reale l'attività cerebrale e di imparare come funzionano, "dice Luca, che non è stato coinvolto in questa ricerca. "Le potenziali implicazioni di vasta portata possono includere l'individuazione e l'eventuale trattamento delle malattie del cervello, anche se resta ancora molto lavoro da fare per dimostrare se ciò è effettivamente possibile, " Aggiunge.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.