Föreställ dig en sensor som är så känslig att den kan upptäcka förändringar i protonkoncentrationen av ett enda protein, i en enda cell. Denna insiktsnivå skulle avslöja svårfångad kvantskalig dynamik för proteinets funktion, eventuellt även i realtid, men kräver en sensor med kontrollerbara funktioner i en liknande skala.
Tack vare en ny tillverkningsteknik, kvantavkännande förmågor närmar sig nu denna precision. Som de rapporterar den här veckan Tillämpad fysikbokstäver , forskare i Japan har reproducerbart bildat en samlad ensemble av kvantsensorer som kallas nitrogen vacancy (NV) centra, bara nanometer från underlagets yta.
Verifierad genom nanoskala kärnmagnetisk resonans (NMR) mätningar, dessa resultat markerar en tydlig väg mot atomnivån design av kvantgivare med större ytarea än normalt uppnås. Detta är den första demonstrationen av denna nanoskala NMR -mätning med perfekt anpassad, högdensitets NV-centra nära ytan, markerar ett stort framsteg för kvantmagnetometriforskning.
"Sättet att kombinera både höga räkningar och hög kontrast är att ha inriktningen, för när du har justeringen har du i princip fördelen med de enskilda NV:erna i kombination med de höga siffrorna som erhålls från ensemblen NV -centra, "sa Hitoshi Ishiwata från Tokyo Institute of Technology och huvudförfattare till tidningen." Så det var vad vi i princip gjorde, riktigt nära ytan - inom 10 nanometer - och vi visade att med en SIMS [Secondary Ion Mass Spectrometry] -mätning, samt mätning av nano -NMR, som visar approximationen av NV:s avstånd från ytan. "
NV -centra, redan ett populärt verktyg i världen av kvantavkänning, är specifika föroreningar i diamantens kristallstruktur. För en enda enhet med diamants annars rent kolkonfiguration, NV -centrum består av en kväveatom intill en saknad (ledig) atom i kristallens gitter. Denna defekt kan uppstå på en av fyra möjliga platser i enhetens kristall, och var och en tillhandahåller en enkel-foton signal vars spektral signatur är nukleär spinnberoende.
Den nya tekniken använder en kombination av kemisk ångavsättning (CVD) och riktad polering för att styra hur NV:erna bildas i gallret. För deras diamantsubstrat, som har en vanligt inriktad yta, där gallret är orienterat längs samma kristallagrafiska plan (kallas 111 i detta fall), Ishiwata och hans kollegor uppnådde ensembler av NV:er alla med samma inriktning. För ett substrat som mäter cirka 10 mikron, bara mindre än bredden på ett människohår, deras metod kan producera någonstans runt 10, 000 sådana centra inom 10 nanometer från ytan.
NV:er på samma plats för sina kristallenheter och så nära ytan, gruppen kunde utföra nanoskala NMR -detektion av fluor i olja som kommer i kontakt med substratet. Tillförlitligheten hos deras tillverkningsmetod har (bokstavligen) långtgående applikationer för breda fältmätningar, säkerställa hög kontrastdetektering över relativt stora provområden.
"Den andra fördelen med högdensitets -NV -centra med inriktning är att utföra vida fältbilder med hög känslighet, "Ishiwata sa." Innan var det omöjligt att ha hög känslighet för vidbildsfält på grund av svårigheten att uppnå anpassning av NV -centra med hög densitet. Med vår teknik, hög kontrast vidfältavbildning med hög signal / brusförhållande är nu möjlig, vilket leder till högkänslig vidbildsbildning. "
När gruppen fortsätter att leta efter sätt att ytterligare förbättra metoden, de är också ute efter att utforska tillämpningar av dessa ensembler i tidsupplöst avkänning, med pulserande lasrar för att tillhandahålla protoninformation i realtid för dynamiska prover. Ishiwata själv var särskilt upphetsad över möjligheterna att förstå biologiska celler som aldrig förr.
"En framtida tillämpning av detta material är observation av enskilda cellmembran eftersom vårt material är lämpligt för att observera nanoskala NMR på volymskalan på 17 kubik nanometer, som är jämförbar med tjockleken på cellmembran (~ 5 nanometer), "Ishiwata sa." Så vi kan använda detta material och mätteknik för lokalt sonderande nanoskala aktivitet av proteiner som finns i cellmembranet med hög känslighet. "
