Imagine tentar entender a cacofonia de um alto-falante tocando quatro músicas ao mesmo tempo, e você tem uma ideia do desafio enfrentado por Jenny Schloss e Matt Turner.

Em sua busca para construir uma ferramenta que usa centros NV - impurezas em escala atômica em diamantes - para detectar os campos magnéticos em tudo, desde neurônios a sistemas de matéria condensada, o par de Ph.D. candidatos da Escola de Pós-Graduação em Artes e Ciências desenvolveram um método que pode detectar campos magnéticos simultaneamente em várias direções. Schloss e Turner trabalharam com o pós-doutorando John Barry (agora um cientista pesquisador no Laboratório Lincoln do MIT) no laboratório de Ronald Walsworth, um membro do corpo docente do Centro de Ciência do Cérebro de Harvard e do Departamento de Física.

Schloss, Torneiro, e Barry bombardeou um pequeno, Wafer de diamante de 4 milímetros quadrados com quatro sinais de microondas diferentes, cada um dos quais foi ajustado para monitorar uma orientação NV específica e pontilhado de acordo com um padrão de modulação de frequência (FM) único. Os pesquisadores puderam então medir simultaneamente como cada orientação NV respondia a diferentes direções de um campo magnético - quase como se estivessem ouvindo quatro estações de rádio FM ao mesmo tempo. O trabalho é descrito em um novo artigo publicado em Revisão Física Aplicada .

Os pesquisadores disseram que a nova ferramenta representa uma melhoria significativa em relação às técnicas anteriores, que exigia que os pesquisadores passassem pelo processo demorado de alternar sequencialmente entre as frequências de micro-ondas para monitorar a resposta de centros NV com orientação diferente.

"Mas com este novo método, podemos fazer tudo ao mesmo tempo, "Turner disse." Do jeito antigo, isso era bom para processos que eram lentos. Mas para coisas rápidas como campos biomagnéticos produzidos por neurônios em disparo, precisamos fazer melhor do que isso, ou podemos perder algumas informações. "

"Então, coletamos esse fluxo constante de dados do diamante conforme o campo magnético está mudando, "Schloss acrescentou." E podemos processá-lo mais rápido do que coletamos, para que possamos detectar a direção e amplitude do campo magnético dinâmico em tempo real. "

A ferramenta se baseia em trabalhos anteriores de Schloss, Torneiro, Barry, e outros, que usava centros NV em diamantes para detectar sinais neurais em vermes marinhos.

"Essa foi uma grande prova de princípio. Mas uma ferramenta de neurociência amplamente útil deve ser compatível com os neurônios de mamíferos, "Disse Schloss." Mas isso é um desafio porque uma série de neurônios em atividade produz campos magnéticos orientados em todas as direções. Esta técnica resolve esse problema para a detecção magnética de neurônios e outras aplicações futuras. "

Uma das razões pelas quais os centros NV são ideais para a tarefa, Schloss e Turner disseram:tem a ver com a maneira como eles estão dispostos na estrutura do diamante.

"Se você pegar um diamante, você obtém um centro NV quando substitui um átomo de carbono por um átomo de nitrogênio e um carbono adjacente por um vazio, "Disse Schloss." Na rede, cada átomo está conectado a quatro outros átomos, portanto, existem quatro orientações NV possíveis, e cada orientação é mais sensível aos campos magnéticos que apontam nessa direção. Então, usando todos os quatro tipos de NVs, você pode descobrir para qual direção o campo magnético está apontando. "

Medir o campo magnético detectado por esses centros NV com orientação diferente é mais fácil de falar do que fazer. O novo sistema envolve a colocação de um wafer de diamante em um campo magnético gerado em laboratório e, em seguida, direcionar um laser sobre ele, fazendo com que o material fique fluorescente. Como os centros NV respondem às mudanças no campo magnético, bem como ao padrão de sinal de micro-ondas FM especial, o brilho da fluorescência NV muda de maneira distinta. Ao rastrear essas mudanças, os pesquisadores podem criar uma imagem 3D do campo magnético.

"O campo estático é o que interage com as várias orientações NV, "Turner disse." E enquanto demodulamos o sinal de micro-ondas, podemos detectar o sinal de cada um deles. "

"Essa é a inovação - usar quatro tons de microondas FM de uma vez, "Schloss acrescentou." Agora podemos medir simultaneamente todas as quatro orientações NV de uma vez e determinar o campo magnético mais rapidamente do que antes, como ouvir quatro estações de rádio FM ao mesmo tempo e ver que tudo faz sentido. "

Embora a tecnologia ainda não tenha sido demonstrada com neurônios de mamíferos, Schloss disse, o estudo é uma importante prova de conceito para uma ferramenta que poderá um dia ter ampla utilização.

"O que gostamos nisso é que é amplamente aplicável, e é realmente apenas uma pequena atualização experimental para o que as pessoas já estão fazendo, "disse ela." Esperamos que isso possa ser adotado de forma muito ampla na biologia, na física da matéria condensada, e em outros lugares. "

Esta história foi publicada como cortesia da Harvard Gazette, Jornal oficial da Universidade de Harvard. Para notícias adicionais da universidade, visite Harvard.edu.