Pesquisadores da QuTech, uma colaboração de TU Delft e TNO, desenvolveram uma nova tecnologia de detecção quântica magnética que pode imagens de amostras com resolução em escala atômica. Ele abre a porta para a geração de imagens de moléculas individuais, como proteínas e outros sistemas complexos, átomo por átomo. A equipe relata seus resultados em Natureza no dia 18 de dezembro.

A imagem por ressonância magnética (MRI) e a ressonância magnética nuclear (NMR) são métodos poderosos e amplamente utilizados na ciência dos materiais, biologia, química e medicina. Muitos núcleos atômicos têm uma propriedade chamada spin. Os núcleos atômicos se comportam como pequenos ímãs que geram minúsculos campos magnéticos, que podem ser detectados usando antenas.

A imagem magnética não é invasiva, pode distinguir diferentes tipos de átomos, e funciona sob uma ampla gama de condições, inclusive à temperatura ambiente. Mas os métodos atuais são limitados a fazer a média de grandes volumes com grandes quantidades de átomos, e a imagem de moléculas individuais ou estruturas em nanoescala não é possível. Os pesquisadores da QuTech já deram um importante avanço para superar essa limitação.

Sensores quânticos

"Nosso trabalho é baseado no centro de vacância de nitrogênio (NV), "disse o primeiro autor Mohamed Abobeih." Este centro NV ocorre naturalmente no diamante:dois átomos de carbono são substituídos por um único átomo de nitrogênio. O centro captura um único spin de elétron que pode funcionar como um sensor de tamanho atômico. Ao manipular precisamente esse elétron, podemos selecionar seletivamente os minúsculos campos magnéticos criados pelos núcleos nas proximidades. "

"Na QuTech, geralmente usamos esses centros NV como bits quânticos, os blocos de construção para futuros computadores quânticos e a Internet quântica. Mas as mesmas propriedades que tornam os centros NV bons bits quânticos, também os tornam bons sensores quânticos, "disse Tim Taminiau, investigador principal.

Imagem 3-D

Taminiau explicou que sua equipe baseou-se em pesquisas anteriores, observando spins nucleares bem isolados. "Esses estudos anteriores indicaram que o centro NV é sensível o suficiente para resolver os minúsculos sinais de núcleos individuais. Mas para imagens de amostras complexas, como moléculas, apenas detectar giros nucleares não é suficiente, "explicou Taminiau." Você precisa determinar com precisão a posição de cada rotação na amostra, e é isso que nos propusemos a fazer. "

"Desenvolvemos um método para obter a estrutura 3-D de sistemas complexos de spin, "disse o co-autor Joe Randall." Cada spin nuclear sente o campo magnético de todos os outros spins nucleares. Essas interações dependem das posições precisas dos átomos e, portanto, codificam a estrutura espacial. Por exemplo, dois átomos mais próximos um do outro tendem a interagir mais fortemente. Desenvolvemos métodos para medir com precisão essas interações e transformá-las em uma imagem 3D completa com resolução atômica. "

Resolução em escala atômica

Para testar seu método, os pesquisadores o aplicaram a um aglomerado de 27 átomos de carbono-13 em um diamante altamente puro. Este conjunto de spins fornece um sistema modelo para uma molécula. Depois de medir mais de 150 interações entre os núcleos e executar um intenso algoritmo de reconstrução numérica, a estrutura 3-D completa foi obtida com uma precisão espacial muito menor do que o tamanho de um átomo.

Sentindo fora do diamante

A próxima etapa é detectar amostras fora do diamante trazendo os centros NV para perto da superfície. O objetivo final é ser capaz de gerar imagens de moléculas individuais, como proteínas, e dispositivos quânticos únicos com resolução atômica.

A publicação em Natureza é uma colaboração da QuTech e Element Six, que cresceu os diamantes ultrapuros usados ​​na pesquisa.