Per decenni, gli scienziati hanno utilizzato tecniche come la cristallografia a raggi X e l'imaging a risonanza magnetica nucleare (NMR) per ottenere informazioni preziose sulla struttura atomica delle molecole. Tali sforzi sono stati a lungo ostacolati dal fatto che richiedono grandi quantità di una specifica molecola, spesso in forma ordinata e cristallizzata, per essere efficace, rendendo quasi impossibile scrutare la struttura della maggior parte delle molecole.

I ricercatori di Harvard affermano che questi problemi potrebbero presto essere un ricordo del passato.

Un team di scienziati, guidato dal Professore di Fisica e di Fisica Applicata Amir Yacoby, ha sviluppato un sistema di risonanza magnetica (MRI) in grado di produrre immagini su scala nanometrica, e potrebbe un giorno consentire ai ricercatori di scrutare la struttura atomica delle singole molecole. Il loro lavoro è descritto in un articolo del 23 marzo su Nature Nanotechnology.

"Ciò che abbiamo dimostrato in questo nuovo documento è la capacità di ottenere una risoluzione spaziale molto elevata, e una tecnologia MRI pienamente operativa, " Yacoby ha detto. "Questo lavoro è diretto verso l'ottenimento di informazioni dettagliate sulla struttura molecolare. Se riusciamo a visualizzare una singola molecola e identificare che c'è un atomo di idrogeno qui e un carbonio là... possiamo ottenere informazioni sulla struttura di molte molecole che oggi non possono essere rappresentate con nessun'altra tecnica".

Sebbene non sia ancora abbastanza preciso per catturare immagini su scala atomica di una singola molecola, il sistema è già stato utilizzato per catturare immagini di spin di singoli elettroni. Man mano che il sistema si affina, Yacoby ha detto che si aspetta che alla fine sarà abbastanza preciso da scrutare la struttura delle molecole.

Mentre il sistema progettato da Yacoby e colleghi funziona più o meno allo stesso modo della risonanza magnetica convenzionale, le somiglianze finiscono qui.

"Quello che abbiamo fatto, essenzialmente, è prendere una risonanza magnetica convenzionale e miniaturizzare, " ha detto Yacoby. "Funzionalmente, funziona allo stesso modo, ma nel farlo, abbiamo dovuto cambiare alcuni componenti, e questo ci ha permesso di ottenere una risoluzione molto maggiore rispetto ai sistemi convenzionali."

Yacoby ha affermato che mentre i sistemi convenzionali possono raggiungere risoluzioni inferiori a un millimetro, sono effettivamente limitati dal gradiente di campo magnetico che possono produrre. Dal momento che quei gradienti svaniscono drasticamente in pochi metri, i sistemi convenzionali costruiti attorno a enormi magneti sono progettati per creare un campo abbastanza grande da poter rappresentare un oggetto, come un essere umano, che può essere lungo un metro o più.

Il sistema su nanoscala ideato da Yacoby e colleghi, a confronto, utilizza un magnete di soli 20 nanometri di diametro, circa 300 volte più piccolo di un globulo rosso, ma è in grado di generare un gradiente di campo magnetico 100, 000 volte più grande anche dei sistemi convenzionali più potenti.

La differenza, Yacoby ha spiegato, è che il magnete su scala nanometrica può essere avvicinato incredibilmente, entro pochi miliardesimi di metro, all'oggetto ripreso.

"Così facendo, possiamo ottenere una risoluzione spaziale di gran lunga migliore di un nanometro, " Egli ha detto.

Le partenze dai sistemi convenzionali di risonanza magnetica, però, non è finita qui.

Per costruire un sensore in grado di leggere come le molecole reagiscono a quel gradiente di campo magnetico, Yacoby e colleghi si sono rivolti a un campo che sembrerebbe non essere collegato all'imaging:l'informatica quantistica.

Utilizzando ultra-puro, diamanti coltivati ​​in laboratorio, il team ha fresato piccoli dispositivi, ognuna delle quali terminava con una punta finissima, e ha incorporato un'impurità su scala atomica, chiamato centro di azoto vacante (NV) in ciascuna punta, creando un singolo bit quantico, o qubit, l'elemento costitutivo essenziale di tutti i computer quantistici.

Negli esperimenti pubblicati lo scorso anno, Yacoby e i suoi collaboratori hanno dimostrato che mentre la punta veniva scansionata sulla superficie di un cristallo di diamante, il bit quantistico interagiva con gli spin degli elettroni vicino alla superficie del cristallo. Tali interazioni potrebbero quindi essere utilizzate per creare un'immagine degli spin dei singoli elettroni. Però, mentre la sensibilità del sensore di bit quantistico è sufficiente per rilevare gli spin di singoli elettroni e rappresenta un balzo in avanti rispetto agli sforzi precedenti, la sua risoluzione spaziale è limitata dalla sua distanza dall'oggetto che viene ripreso.

Per creare immagini veramente 3D, Yacoby e colleghi hanno combinato l'approccio di rilevamento dei bit quantistici con il gradiente di campo ampio portando il nanomagnete in prossimità sia del campione di interesse che del sensore di qubit. Scansionando il magnete in 3D, ma molto vicino al campione, sono stati in grado di rilevare gli spin dei singoli elettroni mentre reagivano al campo magnetico.

"Questo è davvero un gioco in cui avvicinare molto il magnete per generare grandi gradienti, e avvicinando molto il rilevatore per ottenere segnali più grandi, " Ha detto Yacoby. "È quella combinazione che ci dà sia la risoluzione spaziale che la rilevabilità.

"Il nostro sistema attuale è già in grado di visualizzare gli spin di singoli elettroni con una risoluzione sub-nm [subnanometrica], " ha detto. "L'obiettivo, infine, è mettere una molecola in prossimità del nostro centro NV per cercare di vedere i componenti all'interno di quella molecola, vale a dire gli spin nucleari dei singoli atomi che lo compongono. Non è affatto un compito facile, poiché lo spin nucleare genera un segnale che è 1, 000 volte più piccolo di quello dello spin dell'elettrone... ma è lì che siamo diretti".