Kärnmagnetisk resonans (NMR) är ett kraftfullt vetenskapligt verktyg som används vid medicinsk bildbehandling och för att undersöka molekylernas och föreningarnas kemiska struktur. Ny forskning från Brown University visar en teknik som hjälper till att anpassa NMR för att studera de fysiska egenskaperna hos tunna filmer, tvådimensionella nanomaterial och exotiska tillstånd av materia.

NMR innebär att man applicerar ett starkt magnetfält på provet och sedan zappar det med pulser av radiovågor. Magnetfältet justerar de magnetiska momenten, eller "snurrar, "av atomkärnor i provet. Radiovågorna kommer att vända snurren på vissa kärnor i motsatt riktning, beroende på vågornas frekvens. Forskare kan använda signalen som är associerad med spinnflips vid olika frekvenser för att skapa bilder eller för att bestämma ett provs molekylstruktur.

"NMR är en mycket användbar teknik, men signalen du får är mycket svag, sa Vesna Mitrovic, en docent i fysik och senior författare till forskningen, som publiceras i Granskning av vetenskapliga instrument . "För att få en användbar signal, du måste upptäcka många snurr, vilket innebär att du behöver mycket material, relativt sett. Så mycket av det arbete vi gör nu inom fysik är med tunna filmer som ingår i små enheter eller material som har små kristaller med udda former, och det är verkligen svårt att få en NMR-signal i dessa fall."

En del av problemet har att göra med sondens geometri som används för att avge radiopulser och detektera den associerade signalen. Det är vanligtvis en solenoid, en cylindrisk trådspiral inuti vilken provet placeras. NMR -signalen är starkast när ett prov tar det mesta av det tillgängliga utrymmet inuti cylindern. Men om provet är litet jämfört med cylinderns volym - som tunna filmer och nanomaterial skulle vara - försvagas signalen till nästan ingenting.

Men under de senaste åren, Mitrovics laboratorium på Brown har använt platta NMR -spolar för en mängd olika experiment som syftar till att utforska exotiska material och konstiga tillstånd. Platta spolar kan placeras direkt på eller mycket nära ett prov, och som ett resultat lider de inte av signalförlusten av en solenoid. Dessa typer av NMR -spolar har funnits i flera år och använts för vissa specifika applikationer inom NMR -avbildning, Mitrovic säger, men de har inte använts på samma sätt som hennes laboratorium har använt dem.

För denna senaste forskning, Mitrovic och hennes kollegor visade att platta spolar inte bara är användbara för att öka NMR -signalen, men att olika geometrier av platta spolar kan maximera signalen för prover av olika former och i olika typer av experiment.

Till exempel, i experiment med tunna filmer av halvledaren indiumfosfat, forskarna visade att mycket små prover ger mest signal när de placeras i mitten av lägenheten, cirkulär spole. För större prover, och för experiment där det är viktigt att variera orienteringen av det yttre magnetfältet, en meanderlinjeform (en linje som gör en serie rätvinkliga varv) fungerade bäst.

Möjligheten att få en signal vid olika magnetfältorienteringar är viktig, Säger Mitrovic. "Det finns exotiska material och intressanta fysiska tillstånd som bara kan undersökas med vissa magnetfältsorienteringar, "sa hon." Så att veta hur man optimerar vår sond för det är verkligen till hjälp. "

En annan fördel med platta spolar är att det ger experimenter tillgång till sitt prov, i motsats till att ha den i en solenoid.

"Många av de stater vi är intresserade av induceras genom att manipulera provet - applicera en elektrisk ström på det eller applicera en spänning på det, "Mitrovic sa." De platta spolarna gör det mycket lättare att kunna utföra dessa manipulationer. "

Mitrovic hoppas att den vägledning som denna forskning ger för att optimera platta spolar kommer att vara användbar för andra fysiker som är intresserade av att använda NMR för att undersöka exotiska material och tillstånd.