Ett internationellt forskningsprojekt ledd av Kazuyuki Takeda från Kyoto University och Koji Usami från University of Tokyo har utvecklat en ny metod för ljusdetektion för kärnmagnetisk resonans (NMR) genom att uppkonvertera NMR-radiofrekvenssignaler till optiska signaler.

Denna nya detekteringsmetod, dyker upp i journalen Optica , har potential att ge mer känslig analys jämfört med konventionell NMR. Dess möjliga användning i kemisk analys med högre noggrannhet, såväl som i magnetisk resonanstomografi (MRI) teknologi, är också av intresse.

NMR är en gren av spektroskopi där forskare mäter spinn av en atoms kärna för att bestämma dess identitet. Atomkärnor som utsätts för ett magnetfält inducerar radiofrekventa signaler i en detektorkrets. Eftersom olika atomer orsakar signaler vid olika frekvenser, forskare kan använda denna information för att bestämma de föreningar som ingår i ett prov. Den mest välkända tillämpningen av detta är i MRT-baserad bildbehandling, som CT-skanningar.

"NMR är ett mycket kraftfullt verktyg, men dess mätningar är beroende av förstärkning av elektriska signaler vid radiofrekvenser. Det drar in extra ljud och begränsar känsligheten för våra mätningar, " förklarar Takeda. "Så vi utvecklade ett experimentellt NMR-system från grunden, som omvandlar radiofrekventa signaler till optiska."

Principen bakom denna "uppkonvertering" är en ny hybrid kvantomvandlingsteknologi. Teamet arbetade för att integrera detta system i NMR, så småningom bygga en enhet som ansluter elektronik till mekanik, och sedan till optik. Materialet som förbinder alla tre systemen är ett elastiskt membran av kiselnitrid.

"Vi konstruerade en kondensator genom att vakuumavsätta ett metallskikt på kiselnitridmembranet, " förklarar medförfattaren Usami. Genom att använda detta med en induktor, de byggde en resonator för att detektera NMR-signaler, och konstruerade därefter en optisk kavitet med användning av metallskiktet som en spegel. "Den inkommande elektriska NMR-signalen skakar membranet, orsakar rörelse som detekteras av en optisk interferometer."

Teamet tror att framgången med denna optiska detektion kan driva spektroskopimetoden ytterligare, med förhoppningen att denna ökade noggrannhet i detektering och karakterisering av material kan användas inom flera vetenskapliga discipliner.

Takeda avslutar, "Olika metoder för optisk NMR-detektion har rapporterats, och medan vissa är mycket känsliga, de har hittills saknat utbredd tillämplighet. Vårt nya system har visat sig vara både mångsidigt och applicerbart på ett brett utbud av material."