Per la prima volta, un ricercatore dell'Università di Waterloo ha teoricamente dimostrato che è possibile rilevare un singolo spin nucleare a temperatura ambiente, che potrebbe aprire la strada a nuovi approcci alla diagnostica medica.

Pubblicato sulla rivista Nanotecnologia della natura questa settimana, Amir Yacoby dell'Università di Waterloo, insieme ai colleghi dell'Università di Basilea e della RWTH Aachen University, proporre uno schema teorico che potrebbe portare a un miglioramento dell'imaging a risonanza magnetica nucleare (NMR) di materiali biologici nel prossimo futuro utilizzando campi magnetici deboli.

La misurazione dello spin è di routine negli attuali dispositivi di imaging come la risonanza magnetica perché lo spin nucleare genera campi magnetici. Però, campi magnetici deboli come quelli a livello atomico sono difficili da rilevare utilizzando la tecnologia attuale. Aggiungi rumore nel campo e il rilevamento è più difficile. Ancora, secondo il nuovo documento, quando un magnete viene inserito nel mix, il rilevamento può essere ottenuto con campi deboli.

"C'è un grande interesse nel misurare le firme dei campi magnetici deboli, " disse Yacoby, Distinguished Research Chair in Condensed Matter presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia e membro associato dell'Institute for Quantum Computing presso l'Università di Waterloo. "La nostra proposta potrebbe portare a immagini migliori per la risonanza magnetica nucleare (NMR) su nanoscala su materiale biologico in condizioni rumorose".

Pensa a una persona pesante seduta su un'altalena. Una persona molto forte potrebbe spingere l'altalena. È possibile anche per un più piccolo, persona più debole di muovere periodicamente l'altalena con meno forza poiché ogni spinta si traduce in un movimento più ampio. È così che ci oscilliamo, anche con una fonte debole, è possibile eventualmente ottenere una risposta ampia.

Yacoby e i suoi colleghi teorizzano che posizionando una minuscola particella ferromagnetica tra un magnetometro a bit quantico (qubit) a vuoto di azoto e la sorgente, lo spin nucleare, la sensibilità del magnetometro aumenta. Gli spin degli elettroni fortemente correlati nel magnete e la loro eccitazione collettiva possono essere utilizzati per migliorare il segnale debole dalla sorgente. Modulando la sorgente risuonerà lentamente con il magnete e inizierà a costruire forza, proprio come l'altalena. Un magnetometro qubit può quindi leggere la risposta più ampia del magnete.

Fungendo da amplificatore, la particella ferromagnetica può rilevare un singolo spin a una distanza di 30 nanometri (nm) a temperatura ambiente. I precedenti tentativi senza un magnete richiedevano di posizionare il rilevatore in una vicinanza impossibile alla sorgente, solo 1-2 nm. L'aggiunta della particella magnetica consente al sensore di essere più lontano dal sistema, riducendo la possibilità che il sensore lo distrugga, eppure ancora in grado di rilevare un segnale misurabile.

L'articolo analizza teoricamente la fattibilità dello schema completamente classico. Concettualmente la proposta è abbastanza semplice ma, mentre l'attuazione ha le sue sfide, le ricerche ritengono che sia molto meno fragile di uno schema quantistico. Questi risultati, in combinazione con le altre ricerche di Yacoby sul miglioramento della risoluzione, potrebbe vedere immagini NMR migliorate di materiali biologici nel prossimo futuro.