A espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR) é um dos métodos mais importantes de análise físico-química. Pode ser usado para determinar estruturas e dinâmicas moleculares precisas. A importância deste método também é evidenciada pelo reconhecimento dos dois últimos ganhadores do Nobel da ETH Zurich, Richard Ernst e Kurt Wüthrich, por suas contribuições para refinar o método.

A técnica é baseada em ressonância magnética nuclear, que aproveita o fato de que certos núcleos atômicos interagem com um campo magnético. Um fator chave aqui é o spin nuclear, que pode ser comparado com o giro do pião de uma criança. Semelhante a um topo que começa a oscilar, um fenômeno chamado precessão, spins nucleares expostos a um campo magnético começam a precessão. Isso gera um sinal eletromagnético que pode ser medido usando uma bobina de indução.

Maior resolução

Uma equipe de pesquisadores liderada por Christian Degen, Professor de Física do Estado Sólido na ETH Zurique, desenvolveu uma nova abordagem, tornando possível rastrear diretamente a precessão de spins nucleares individuais. Em comparação, medições convencionais de NMR geralmente requerem pelo menos 10 ¹² a 10 ¹⁸ núcleos atômicos para registrar um sinal de medição.

Em seu projeto, os pesquisadores da ETH analisaram o comportamento dos átomos de carbono-13 nos diamantes. Em vez de usar métodos convencionais para medir a precessão do núcleo de carbono, eles usaram o spin de um elétron adjacente em um centro N-V - uma imperfeição na estrutura do cristal do diamante - como um sensor. Kristian Cujia, um estudante de doutorado no grupo de Degen, resume o princípio assim:"Usamos um segundo sistema quântico para estudar o comportamento do primeiro sistema quântico. Desta forma, criamos uma forma de medição muito sensível. "

Potencial para aplicações futuras

Os sistemas quânticos são difíceis de definir, pois qualquer medição também influenciará o sistema que está sendo observado. Portanto, os pesquisadores não conseguiram rastrear a precessão continuamente; seu movimento teria sido alterado drasticamente. Para resolver este problema, eles desenvolveram um método de medição especial para capturar o spin do átomo de carbono por meio de uma série de medições fracas em rápida sucessão. Como resultado, eles foram capazes de manter a influência de sua observação tão pequena que não influenciou o sistema de forma mensurável, deixando o movimento circular original perceptível.

"Nosso método abre caminho para avanços notáveis ​​na tecnologia de NMR, "Degen explica." Isso potencialmente nos permite registrar diretamente os espectros de moléculas individuais e analisar estruturas em nível atômico. "Como um primeiro exemplo, os físicos identificaram a posição tridimensional dos núcleos de carbono na estrutura do diamante com resolução atômica. Os físicos veem um grande potencial neste desenvolvimento. Essas medições detalhadas de NMR podem levar a percepções completamente novas em muitas áreas, como já aconteceu com a espectroscopia de RMN convencional nas últimas décadas. "

O estudo é publicado em Natureza .