Diamonds pode ser o melhor amigo de uma garota, mas eles também podem um dia nos ajudar a entender como o cérebro processa as informações, graças a uma nova técnica de detecção desenvolvida no MIT.

Uma equipe do Quantum Engineering Group do MIT desenvolveu um novo método para controlar sensores de diamante em nanoescala, que são capazes de medir até mesmo campos magnéticos muito fracos. Os pesquisadores apresentam seus trabalhos esta semana na revista. Nature Communications .

A nova técnica de controle permite que os minúsculos sensores monitorem como esses campos magnéticos mudam ao longo do tempo, como quando os neurônios no cérebro transmitem sinais elétricos uns aos outros. Também poderia permitir aos pesquisadores medir com mais precisão os campos magnéticos produzidos por novos materiais, como os metamateriais usados ​​para fazer superlentes e "mantos de invisibilidade".

Em 2008, uma equipe de pesquisadores do MIT, Universidade de Harvard, e outras instituições revelaram pela primeira vez que defeitos em nanoescala dentro dos diamantes podem ser usados ​​como sensores magnéticos.

Os defeitos que ocorrem naturalmente, conhecidos como centros de vacância de nitrogênio (N-V), são sensíveis a campos magnéticos externos, muito parecido com bússolas, diz Paola Cappellaro, o Esther e Harold Edgerton Professor Associado de Ciência Nuclear e Engenharia (NSE) no MIT.

Defeitos dentro dos diamantes também são conhecidos como centros de cores, Cappellaro diz, pois dão às gemas um tom específico:"Então, se você vir um belo diamante azul ou rosa, a cor se deve ao fato de haver defeitos no diamante. "

O defeito central N-V consiste em um átomo de nitrogênio no lugar de um átomo de carbono e próximo a um vazio - ou oco - dentro da estrutura de rede do diamante. Muitos desses defeitos dentro de um diamante dariam à gema uma cor rosa, e quando iluminados com luz, eles emitem uma luz vermelha, Cappellaro diz.

Para desenvolver o novo método de controle desses sensores, A equipe de Cappellaro primeiro sondou o diamante com luz laser verde até que detectou uma luz vermelha sendo emitida, que informava exatamente onde o defeito estava localizado.

Eles então aplicaram um campo de micro-ondas ao sensor em nanoescala, para manipular o spin do elétron do centro N-V. Isso altera a intensidade da luz emitida pelo defeito, em um grau que depende não apenas do campo de micro-ondas, mas também de quaisquer campos magnéticos externos presentes.

Para medir os campos magnéticos externos e como eles mudam ao longo do tempo, os pesquisadores direcionaram o sensor em nanoescala com um pulso de microondas, que mudou a direção do spin do elétron do centro N-V, diz o membro da equipe e aluno de pós-graduação NSE Alexandre Cooper. Ao aplicar diferentes séries desses pulsos, atuando como filtros - cada um dos quais mudou a direção do spin do elétron um número diferente de vezes - a equipe foi capaz de coletar com eficiência informações sobre o campo magnético externo.

Eles então aplicaram técnicas de processamento de sinais para interpretar essas informações e as usaram para reconstruir todo o campo magnético. "Para que possamos reconstruir toda a dinâmica desse campo magnético externo, que fornece mais informações sobre os fenômenos subjacentes que estão criando o próprio campo magnético, "Cappellaro diz.

A equipe usou um quadrado de diamante de três milímetros de diâmetro como amostra, mas é possível usar sensores com apenas dezenas de nanômetros de tamanho. Os sensores de diamante podem ser usados ​​em temperatura ambiente, e uma vez que eles consistem inteiramente de carbono, eles poderiam ser injetados em células vivas sem lhes causar nenhum dano, Cappellaro diz.

Uma possibilidade seria fazer crescer neurônios em cima do sensor de diamante, para permitir que ele meça os campos magnéticos criados pelo "potencial de ação, "ou sinal, eles produzem e então transmitem a outros nervos.

Anteriormente, pesquisadores usaram eletrodos dentro do cérebro para "cutucar" um neurônio e medir o campo elétrico produzido. Contudo, esta é uma técnica muito invasiva, Cappellaro diz. "Você não sabe se o neurônio ainda está se comportando como se você não tivesse feito nada, " ela diz.

Em vez de, o sensor de diamante pode medir o campo magnético de forma não invasiva. "Poderíamos ter uma matriz desses centros de defeitos para sondar diferentes locais do neurônio, e então você saberia como o sinal se propaga de uma posição para outra no tempo, "Cappellaro diz.

Em experimentos para demonstrar seu sensor, a equipe usou um guia de ondas como neurônio artificial e aplicou um campo magnético externo. Quando eles colocaram o sensor de diamante no guia de ondas, eles foram capazes de reconstruir com precisão o campo magnético. Mikhail Lukin, um professor de física em Harvard, diz que o trabalho demonstra muito bem a capacidade de reconstruir perfis dependentes do tempo de campos magnéticos fracos usando um novo sensor magnético baseado na manipulação quântica de defeitos no diamante.

"Algum dia, as técnicas demonstradas neste trabalho podem nos permitir fazer a detecção em tempo real da atividade cerebral e aprender como elas funcionam, "diz Lukin, que não esteve envolvido nesta pesquisa. "Possíveis implicações de longo alcance podem incluir a detecção e eventual tratamento de doenças cerebrais, embora ainda haja muito trabalho a ser feito para mostrar se isso realmente pode ser feito, " ele adiciona.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.