Forskare på QuTech, ett samarbete mellan TU Delft och TNO, har utvecklat en ny magnetisk kvantavkänningsteknik som kan avbilda prover med atomskalaupplösning. Det öppnar dörren mot avbildning av enskilda molekyler, som proteiner och andra komplexa system, atom för atom. Teamet rapporterar om sina resultat i Natur den 18 december.

Magnetisk resonansavbildning (MRI) och kärnmagnetisk resonans (NMR) är kraftfulla och allmänt använda metoder inom materialvetenskap, biologi, kemi och medicin. Många atomkärnor har en egenskap som kallas spin. Atomkärnor beter sig som små magneter som genererar små magnetfält, som kan detekteras med antenner.

Magnetisk bildbehandling är icke-invasiv, kan skilja på olika typer av atomer, och arbetar under en mängd olika förhållanden, inklusive vid rumstemperatur. Men nuvarande metoder är begränsade till medelvärdet över stora volymer med stora mängder atomer, och avbildning av enskilda molekyler eller nanoskala strukturer är inte möjlig. Forskare på QuTech har nu gjort ett viktigt framsteg för att övervinna den begränsningen.

Kvantsensorer

"Vårt arbete bygger på kvävevakanscentret (NV), "sa författaren Mohamed Abobeih." Detta NV -centrum förekommer naturligt i diamant:två kolatomer ersätts av en enda kväveatom. Mitten fångar upp en enda elektronspinn som kan fungera som en sensor i atomstorlek. Genom att exakt manipulera denna elektron kan vi selektivt plocka upp de små magnetfält som skapas av kärnor i närheten. "

"På QuTech använder vi vanligtvis dessa NV -centra som kvantbitar, byggstenarna för framtida kvantdatorer och kvantinternet. Men samma egenskaper som gör att NV centrerar bra kvantbitar, gör dem också till bra kvantsensorer, "sa Tim Taminiau, ledande utredare.

3D-avbildning

Taminiau förklarade att hans team byggde på tidigare forskning och observerade välisolerade nukleära snurr. "Dessa tidigare studier visade att NV -centrum är tillräckligt känsligt för att lösa de små signalerna från enskilda kärnor. Men för avbildning av komplexa prover som molekyler, det räcker inte med att bara upptäcka kärnvapen, "förklarade Taminiau." Du måste exakt bestämma positionen för varje snurr i provet, och det är vad vi har tänkt göra. "

"Vi utvecklade en metod för att erhålla 3D-strukturen för komplexa spinnsystem, "sa medförfattaren Joe Randall." Varje kärnsnurr känner av magnetfältet från alla andra kärnvridningar. Dessa interaktioner beror på atomernas exakta positioner och kodar därför den rumsliga strukturen. Till exempel, två atomer som ligger närmare varandra tenderar att interagera starkare. Vi utvecklade metoder för att exakt mäta dessa interaktioner och förvandla dem till en komplett 3D-bild med atomupplösning. "

Atomskala upplösning

För att testa deras metod, forskarna applicerade den på ett kluster av 27 kol-13 atomer i en mycket ren diamant. Detta snurrkluster ger ett modellsystem för en molekyl. Efter att ha mätt mer än 150 interaktioner mellan kärnorna och kört en intensiv numerisk rekonstruktionsalgoritm, den fullständiga 3D-strukturen erhölls med en rumslig precision mycket mindre än storleken på en atom.

Avkänning utanför diamanten

Nästa steg är att upptäcka prover utanför diamanten genom att föra NV -centra nära ytan. Det yttersta målet är att kunna avbilda enskilda molekyler, såsom proteiner, och enkla kvantanordningar med atomupplösning.

Publikationen i Natur är ett samarbete mellan QuTech och Element Six, som växte de ultrarena diamanterna som användes i forskningen.