Kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi är en av de viktigaste metoderna för fysikalisk -kemisk analys. Den kan användas för att bestämma exakta molekylstrukturer och dynamik. Betydelsen av denna metod bevisas också av erkännandet av ETH Zürichs två senaste nobelpristagare, Richard Ernst och Kurt Wüthrich, för deras bidrag till att förfina metoden.

Tekniken är baserad på kärnmagnetisk resonans, vilket drar nytta av att vissa atomkärnor interagerar med ett magnetfält. En nyckelfaktor här är kärnsnurr, som kan jämföras med snurrandet av en barntopp. Liknar en topp som börjar vingla, ett fenomen som kallas precession, nukleära snurr som utsätts för ett magnetfält börjar föregå. Detta genererar en elektromagnetisk signal som kan mätas med hjälp av en induktionsspole.

Högre upplösning

Ett team av forskare under ledning av Christian Degen, Professor i solid-state fysik vid ETH Zürich, har utvecklat ett nytt tillvägagångssätt, gör det möjligt att direkt spåra förekomsten av enstaka nukleära snurr. I jämförelse, konventionella NMR -mätningar kräver vanligtvis minst 10 ¹² till 10 ¹⁸ atomkärnor för att registrera en mätsignal.

I deras projekt, ETH-forskarna analyserade beteendet hos kol-13 atomer i diamanter. Snarare än att använda konventionella metoder för att mäta kolekärnans precession, de använde snurren av en intilliggande elektron i ett NV-centrum-en ofullkomlighet i diamantens kristallgitter-som en sensor. Kristian Cujia, en doktorand i Degens grupp, sammanfattar principen så här:"Vi använder ett andra kvantsystem för att studera beteendet hos det första kvantsystemet. På detta sätt, vi skapade ett mycket känsligt sätt att mäta. "

Potential för framtida applikationer

Kvantsystem är svåra att sätta fast, eftersom varje mätning också kommer att påverka systemet som observeras. Därför, forskarna kunde inte spåra precessionen kontinuerligt; dess rörelse skulle ha förändrats för drastiskt. För att lösa det här problemet, de utvecklade en speciell mätmetod för att fånga kolatomens snurr genom en serie svaga mätningar i snabb följd. Som ett resultat, de kunde hålla inflytandet från deras observation så litet att det inte påverkade systemet mätbart, lämnar den ursprungliga cirkelrörelsen märkbar.

"Vår metod banar väg för anmärkningsvärda framsteg inom NMR -teknik, "Degen förklarar." Detta gör det möjligt för oss att direkt spela in spektra för enskilda molekyler och analysera strukturer på atomnivå. "Som ett första exempel, fysikerna identifierade den tredimensionella positionen för kolkärnorna i diamantgitteret med atomupplösning. Fysikerna ser en enorm potential i denna utveckling. Sådana detaljerade NMR -mätningar kan leda till helt nya insikter på många områden, som redan har varit fallet med konventionell NMR -spektroskopi under de senaste decennierna. "

Studien publiceras i Natur .