För första gången, en forskare vid University of Waterloo har teoretiskt visat att det är möjligt att detektera ett enda kärnsnurr vid rumstemperatur, vilket skulle kunna bana väg för nya tillvägagångssätt för medicinsk diagnostik.

Publicerad i tidskriften Naturens nanoteknik Denna vecka, Amir Yacoby från University of Waterloo, tillsammans med kollegor från University of Basel och RWTH Aachen University, föreslå ett teoretiskt schema som kan leda till förbättrad kärnmagnetisk resonans (NMR) avbildning av biologiska material inom en snar framtid genom att använda svaga magnetfält.

Att mäta spinn är rutin i nuvarande bildåtergivningsenheter som magnetisk resonansavbildning eftersom kärnspinn genererar magnetfält. Dock, svaga magnetfält som de på atomnivå är svåra att upptäcka med dagens teknik. Lägg till brus i fältet och detekteringen blir svårare. Än, enligt den nya tidningen, när en magnet placeras i blandningen, detektering kan uppnås med svaga fält.

"Det finns ett stort intresse för att mäta signaturerna för svaga magnetfält, sa Yacoby, Distinguished Research Chair in Condensed Matter vid Institutionen för fysik och astronomi och associerad medlem av Institutet för kvantberäkning vid University of Waterloo. "Vårt förslag kan leda till bättre avbildning för kärnmagnetisk resonans i nanoskala (NMR) på biologiskt material under bullriga förhållanden."

Tänk på en tung person som sitter på en gunga. En mycket stark person kunde trycka på gungan. Det är även möjligt för en mindre, svagare person att flytta gungan regelbundet med mindre kraft eftersom varje tryck resulterar i en större rörelse. Det är så vi svingar oss själva – även med en svag källa, det är möjligt att så småningom få en stor respons.

Yacoby och hans kollegor har en teori om att genom att placera en liten ferromagnetisk partikel mellan en kvantbitsmagnetometer med kvävevakans (qubit) och källan – kärnspinnet – förbättras magnetometerns känslighet. De starkt korrelerade elektronsnurren i magneten och deras kollektiva excitation kan användas för att förstärka den svaga signalen från källan. Att modulera källan kommer långsamt att resonera med magneten och börja bygga styrka, precis som gungan. En qubit-magnetometer kan sedan läsa av magnetens större respons.

Fungerar som en förstärkare, den ferromagnetiska partikeln kan upptäcka ett enda snurr på ett avstånd av 30 nanometer (nm) vid rumstemperatur. Tidigare försök utan magnet krävde att detektorn placerades omöjligt nära källan, bara 1-2 nm. Genom att lägga till den magnetiska partikeln kan sensorn vara längre från systemet, minskar risken för att sensorn förstör den, och ändå kunna detektera en mätbar signal.

Uppsatsen analyserar teoretiskt genomförbarheten av det helt klassiska schemat. Konceptuellt är förslaget ganska enkelt men, samtidigt som implementeringen har sina utmaningar, Forskare tror att det är mycket mindre ömtåligt än ett kvantsystem. Dessa resultat, i kombination med Yacobys andra forskning om att förbättra upplösningen, kunde se förbättrad NMR-avbildning av biologiska material inom en snar framtid.