Imagine um sensor tão sensível que pode detectar mudanças na concentração de prótons de uma única proteína, dentro de uma única célula. Este nível de percepção revelaria a dinâmica indescritível em escala quântica da função dessa proteína, potencialmente até em tempo real, mas exige um sensor com recursos controláveis ​​em uma escala semelhante.

Graças a uma nova técnica de fabricação, habilidades de detecção quântica estão agora se aproximando desta escala de precisão. Como eles relatam esta semana em Cartas de Física Aplicada , pesquisadores no Japão formaram de forma reproduzível um conjunto alinhado de sensores quânticos chamados centros de vacância de nitrogênio (NV), apenas nanômetros da superfície de seu substrato.

Verificado por medições de ressonância magnética nuclear (NMR) em nanoescala, esses resultados marcam um caminho claro para o projeto de nível atômico de sensores quânticos com áreas de superfície maiores do que normalmente alcançável. Esta é a primeira demonstração desta medição de NMR em nanoescala com perfeitamente alinhado, centros NV de alta densidade perto da superfície, marcando um grande avanço para a pesquisa de magnetometria quântica.

"A maneira de combinar contagens altas e alto contraste é ter o alinhamento, porque quando você tem o alinhamento, você basicamente tem o benefício dos NVs individuais combinados com as altas contagens obtidas dos centros de NV de conjunto, "disse Hitoshi Ishiwata do Instituto de Tecnologia de Tóquio e principal autor do artigo." Então foi isso que basicamente fizemos, realmente perto da superfície - dentro de 10 nanômetros - e demonstramos que com uma medição SIMS [Espectrometria de Massa de Íons Secundários], bem como medir nano NMR, que mostra a aproximação da distância dos NVs da superfície. "

Centros NV, já uma ferramenta popular no mundo do sensor quântico, são tipos específicos de impurezas na estrutura cristalina do diamante. Para uma única unidade de configuração de diamante, de outra forma puramente de carbono, o centro NV consiste em um átomo de nitrogênio adjacente a um átomo ausente (vazio) na estrutura do cristal. Este defeito pode ocorrer em um dos quatro locais possíveis no cristal da unidade, e cada um fornece um sinal de fóton único cuja assinatura espectral depende do spin nuclear.

A nova técnica usa uma combinação de deposição química de vapor (CVD) e polimento direcional para controlar como os NVs se formam na rede. Para seu substrato de diamante, que tem uma superfície comumente alinhada, onde a rede é orientada ao longo do mesmo plano cristalográfico (chamado de 111 neste caso), Ishiwata e seus colegas conseguiram conjuntos de NVs, todos com a mesma orientação. Para um substrato medindo cerca de 10 mícrons de diâmetro, um pouco menos do que a largura de um cabelo humano, seu método pode produzir algo em torno de 10, 000 desses centros dentro de 10 nanômetros da superfície.

NVs nas mesmas localizações respectivas de suas unidades de cristal e tão perto da superfície, o grupo poderia conduzir a detecção de NMR em nanoescala do flúor no óleo que entra em contato com o substrato. A confiabilidade de seu método de fabricação tem (literalmente) aplicações de longo alcance para medições de campo amplo, garantindo a detecção de alto contraste em áreas de amostra relativamente grandes.

"O outro benefício dos centros NV de alta densidade com alinhamento é realizar imagens de campo amplo com alta sensibilidade, "Disse Ishiwata." Antes era impossível ter alta sensibilidade para imagens de campo amplo devido à dificuldade de obter o alinhamento dos centros NV com alta densidade. Com nossa técnica, agora é possível obter imagens de campo amplo de alto contraste com alta relação sinal-ruído, o que leva a imagens de campo amplo de alta sensibilidade. "

À medida que o grupo continua procurando maneiras de melhorar ainda mais o método, eles também estão procurando explorar as aplicações desses conjuntos em sensoriamento resolvido no tempo, usando lasers pulsados ​​para fornecer informações de prótons em tempo real de amostras dinâmicas. O próprio Ishiwata estava particularmente animado com as possibilidades de compreender as células biológicas como nunca antes.

"Uma aplicação futura deste material é a observação de membranas celulares individuais porque nosso material é adequado para observar NMR em nanoescala na escala de volume de 17 nanômetros cúbicos, que é comparável à espessura das membranas celulares (~ 5 nanômetros), "Ishiwata disse." Então, poderíamos usar este material e técnica de medição para sondar localmente a atividade em nanoescala de proteínas que existem na membrana celular com alta sensibilidade. "