Fysiker vid universitetet i Basel och det schweiziska nanovetenskapsinstitutet kunde för första gången visa att enstaka molekylers kärnspinn kan detekteras med hjälp av magnetiska partiklar i rumstemperatur. I Naturens nanoteknik , forskarna beskriver en ny experimentell uppsättning med vilken de små magnetiska fälten i enstaka biomolekylers kärnspinn – oupptäckbara än så länge – kunde registreras för första gången. Det föreslagna konceptet skulle förbättra såväl medicinsk diagnostik som analyser av biologiska och kemiska prover i ett avgörande steg framåt.
Mätningen av nukleära spinn är rutin vid det här laget inom medicinsk diagnostik (MRT). Dock, de för närvarande befintliga enheterna behöver miljarder atomer för analysen och är därför inte användbara för många småskaliga tillämpningar. Under många decennier, forskare över hela världen har därför engagerat sig i ett intensivt sökande efter alternativa metoder, vilket skulle förbättra mätteknikernas känslighet.
Med hjälp av olika typer av sensorer (SQUID- och Hall-sensorer) och med magnetiska resonanskraftmikroskop, det har blivit möjligt att detektera spinn av enstaka elektroner och uppnå strukturell upplösning på nanoskala. Dock, upptäckten av enstaka kärnspinn av komplexa biologiska prover - den heliga gralen i fältet - har hittills inte varit möjlig.
Diamantkristaller med små defekter
Forskarna från Basel undersöker nu tillämpningen av sensorer gjorda av diamanter som är värd för små defekter i deras kristallstruktur. I diamantens kristallgitter ersätts en kolatom med en kväveatom, med en ledig plats bredvid. Dessa så kallade Nitrogen-Vacancy (NV) centra genererar snurr, som är idealiska för detektering av magnetfält. Vid rumstemperatur, forskare har visat experimentellt i många laboratorier tidigare att med sådana NV-centra är upplösning av enstaka molekyler möjlig. Dock, detta kräver atomistiskt nära avstånd mellan sensor och prov, vilket inte är möjligt för biologiskt material.
En liten ferromagnetisk partikel, placerad mellan prov och NV-centrum, kan lösa detta problem. Verkligen, om provets kärnspinn drivs vid en specifik resonansfrekvens, resonansen hos den ferromagnetiska partikeln förändras. Med hjälp av ett NV-center som är i närheten av den magnetiska partikeln, forskarna kan sedan upptäcka denna modifierade resonans.
Mäta teknikgenombrott?
Den teoretiska analysen och experimentella teknikerna av forskarna i teamen av Prof. Daniel Loss och Prof. Patrick Maletinsky har visat att användningen av sådana ferromagnetiska partiklar kan leda till en tiotusenfaldig förstärkning av magnetfältet hos kärnspinn. "Jag är övertygad om att vårt koncept snart kommer att implementeras i verkliga system och kommer att leda till ett genombrott inom metrologi, " kommenterar Daniel Loss den senaste publikationen, där den första författaren Dr. Luka Trifunovic, postdoc i Loss-teamet, gjort väsentliga bidrag och som utfördes i samarbete med kollegor från JARA Institute for Quantum Information (Aachen, Tyskland) och Harvard University (Cambridge).
