I årtionden, forskare har använt tekniker som röntgenkristallografi och kärnmagnetisk resonans (NMR) för att få ovärderlig insikt i molekylernas atomära struktur. Sådana ansträngningar har länge försvårats av det faktum att de kräver stora mängder av en specifik molekyl, ofta i ordnad och kristalliserad form, att vara effektiv – vilket gör det nästan omöjligt att titta in i strukturen hos de flesta molekyler.

Harvard-forskare säger att dessa problem snart kan vara ett minne blott.

Ett team av forskare, ledd av professor i fysik och tillämpad fysik Amir Yacoby, har utvecklat ett system för magnetisk resonanstomografi (MRI) som kan producera bilder i nanoskala, och kan en dag tillåta forskare att titta in i atomstrukturen hos enskilda molekyler. Deras arbete beskrivs i en artikel i Nature Nanotechnology den 23 mars.

"Vad vi har visat i detta nya dokument är förmågan att få mycket hög rumslig upplösning, och en fullt fungerande MRI-teknik, ", sade Yacoby. "Detta arbete är riktat mot att erhålla detaljerad information om molekylstruktur. Om vi ​​kan avbilda en enskild molekyl och identifiera att det finns en väteatom här och ett kol där ... kan vi få information om strukturen hos många molekyler som inte kan avbildas med någon annan teknik idag."

Även om det ännu inte är tillräckligt exakt för att fånga bilder i atomskala av en enda molekyl, systemet har redan använts för att ta bilder av enstaka elektronsnurr. När systemet förfinas, Yacoby sa att han förväntar sig att det så småningom kommer att vara tillräckligt exakt för att titta in i molekylernas struktur.

Medan systemet designat av Yacoby och kollegor fungerar på ungefär samma sätt som konventionella MRI gör, likheterna slutar där.

"Vad vi har gjort, väsentligen, är att ta en konventionell MRT och miniatyrisera den, " sa Yacoby. "Funktionellt, det fungerar på samma sätt, men när man gör det, vi har varit tvungna att ändra några av komponenterna, och det har gjort det möjligt för oss att uppnå mycket bättre upplösning än konventionella system."

Yacoby sa att även om konventionella system kan uppnå upplösningar på mindre än en millimeter, de begränsas effektivt av den magnetiska fältgradient de kan producera. Eftersom dessa gradienter bleknar dramatiskt inom bara några meter, Konventionella system byggda kring massiva magneter är designade för att skapa ett fält som är tillräckligt stort för att avbilda ett objekt – som en människa – som kan vara en meter eller mer långt.

Nanoskalasystemet som utvecklats av Yacoby och kollegor, i jämförelse, använder en magnet som bara är 20 nanometer i diameter - cirka 300 gånger mindre än en röd blodkropp - men som kan generera en magnetfältsgradient på 100, 000 gånger större än även de mest kraftfulla konventionella systemen.

Skillnaden, Yacoby förklarade, är att nanoskalamagneten kan föras otroligt nära, inom några miljarddels meter, till objektet som avbildas.

"Genom att göra det, vi kan uppnå rumslig upplösning som är mycket bättre än en nanometer, " han sa.

Avvikelserna från konventionella MRI-system, dock, slutade inte där.

För att konstruera en sensor som kunde läsa hur molekyler reagerar på den magnetiska fältgradienten, Yacoby och kollegor vände sig till ett område som verkar vara okopplat med bildbehandling - kvantberäkning.

Med hjälp av ultraren, labbodlade diamanter, teamet fräste små enheter, som var och en slutade i ett superfint tips, och inbäddade en förorening i atomskala, kallas ett kvävevakanscenter (NV) i varje spets, skapa en enda kvantbit, eller qubit – den väsentliga byggstenen i alla kvantdatorer.

I experiment som publicerades förra året, Yacoby och hans medarbetare visade att när spetsen skannades över ytan av en diamantkristall, kvantbiten interagerade med elektronsnurr nära kristallens yta. Dessa interaktioner kan sedan användas för att skapa en bild av individuella elektronsnurr. Dock, medan kvantbitsensorns känslighet är tillräcklig för att detektera individuella elektronsnurr och representerar ett kvantsprång framåt från tidigare försök, dess rumsliga upplösning begränsas av dess avstånd från objektet som avbildas.

För att skapa riktigt 3D-bilder, Yacoby och kollegor kombinerade kvantbitsavkänningsmetoden med storfältsgradienten genom att föra nanomagneten i närheten av både provet av intresse och qubitsensorn. Genom att skanna magneten i 3D, men mycket nära provet, de kunde upptäcka individuella elektronsnurr när de reagerade på magnetfältet.

"Det här är verkligen ett spel för att föra både magneten väldigt nära för att generera stora gradienter, och föra detektorn väldigt nära för att få större signaler, " sa Yacoby. "Det är den kombinationen som ger oss både den rumsliga upplösningen och detekterbarheten.

"Vårt nuvarande system är redan kapabelt att avbilda individuella elektronsnurr med subnm [subnanometer] upplösning, " sa han. "Målet, så småningom, är att placera en molekyl i närheten av vårt NV-center för att försöka se komponenterna i den molekylen, nämligen kärnsnurrarna hos de enskilda atomerna som utgör den. Detta är inte på något sätt en lätt uppgift, eftersom kärnspinnet genererar en signal som är 1, 000 gånger mindre än elektronspinnet... men det är dit vi är på väg."