I fisici dell'Università di Basilea e dello Swiss Nanoscience Institute sono stati in grado di dimostrare per la prima volta che gli spin nucleari di singole molecole possono essere rilevati con l'aiuto di particelle magnetiche a temperatura ambiente. In Nanotecnologia della natura , i ricercatori descrivono una nuova configurazione sperimentale con cui i minuscoli campi magnetici degli spin nucleari di singole biomolecole - finora non rilevabili - potrebbero essere registrati per la prima volta. Il concetto proposto migliorerebbe la diagnostica medica e le analisi di campioni biologici e chimici in un decisivo passo avanti.
La misurazione degli spin nucleari è ormai di routine nella diagnostica medica (MRI). Però, i dispositivi attualmente esistenti necessitano di miliardi di atomi per l'analisi e quindi non sono utili per molte applicazioni su piccola scala. Per molti decenni, scienziati di tutto il mondo si sono quindi impegnati in un'intensa ricerca di metodi alternativi, che migliorerebbero la sensibilità delle tecniche di misurazione.
Con l'aiuto di vari tipi di sensori (sensori SQUID e Hall) e con microscopi a forza di risonanza magnetica, è diventato possibile rilevare gli spin di singoli elettroni e ottenere una risoluzione strutturale su scala nanometrica. Però, il rilevamento di singoli spin nucleari di campioni biologici complessi - il Santo Graal sul campo - non è stato finora possibile.
Cristalli di diamante con piccoli difetti
I ricercatori di Basilea ora studiano l'applicazione di sensori realizzati con diamanti che ospitano piccoli difetti nella loro struttura cristallina. Nel reticolo cristallino del diamante un atomo di carbonio è sostituito da un atomo di azoto, con un sito libero accanto. Questi cosiddetti centri di Nitrogen-Vacancy (NV) generano spin, ideali per il rilevamento di campi magnetici. A temperatura ambiente, i ricercatori hanno dimostrato sperimentalmente in molti laboratori prima che con tali centri NV è possibile la risoluzione di singole molecole. Però, ciò richiede distanze atomisticamente ravvicinate tra sensore e campione, che non è possibile per il materiale biologico.
Una minuscola particella ferromagnetica, posto tra il campione e il centro NV, può risolvere questo problema. Infatti, se lo spin nucleare del campione è guidato ad una specifica frequenza di risonanza, la risonanza della particella ferromagnetica cambia. Con l'aiuto di un centro NV che si trova nelle immediate vicinanze della particella magnetica, gli scienziati possono quindi rilevare questa risonanza modificata.
Una svolta tecnologica di misurazione?
L'analisi teorica e le tecniche sperimentali dei ricercatori dei team del Prof. Daniel Loss e del Prof. Patrick Maletinsky hanno dimostrato che l'uso di tali particelle ferromagnetiche può portare a un'amplificazione di diecimila volte del campo magnetico degli spin nucleari. "Sono fiducioso che il nostro concetto sarà presto implementato in sistemi reali e porterà a una svolta nella metrologia, " commenta Daniel Loss alla recente pubblicazione, dove il primo autore Dr. Luka Trifunovic, postdoc nella squadra di Loss, apportato contributi essenziali e che è stato eseguito in collaborazione con i colleghi del JARA Institute for Quantum Information (Aachen, Germania) e l'Università di Harvard (Cambridge).
