В настоящее время измерение ядерных спинов является обычным делом в медицинской диагностике (МРТ). Однако существующим в настоящее время устройствам требуются миллиарды атомов для анализа, и поэтому они не подходят для многих небольших приложений. Таким образом, на протяжении многих десятилетий ученые всего мира вели интенсивный поиск альтернативных методов, которые улучшили бы чувствительность методов измерения.
С помощью различных типов сенсоров (SQUID- и Hall-сенсоры) и магнитно-резонансных силовых микроскопов стало возможным обнаруживать спины отдельных электронов и достигать структурного разрешения на наноуровне. Однако обнаружение единичных ядерных спинов сложных биологических образцов — святого Грааля в этой области — до сих пор невозможно.
Кристаллы алмаза с мелкими дефектамиИсследователи из Базеля сейчас исследуют применение сенсоров, сделанных из алмазов, которые содержат крошечные дефекты в своей кристаллической структуре. В кристаллической решетке алмаза атом углерода заменен атомом азота с пустым участком рядом с ним. Эти так называемые азотно-вакансионные (NV) центры генерируют спины, которые идеально подходят для обнаружения магнитных полей.
При комнатной температуре исследователи ранее экспериментально показали во многих лабораториях, что с такими NV-центрами возможно разрешение одиночных молекул. Однако для этого необходимы атомистически близкие расстояния между датчиком и образцом, что невозможно для биологического материала.
Крошечная ферромагнитная частица, помещенная между образцом и центром NV, может решить эту проблему. Действительно, если ядерный спин образца приводится в движение на определенной резонансной частоте, резонанс ферромагнитной частицы изменяется. Затем с помощью NV-центра, который находится в непосредственной близости от магнитной частицы, ученые могут обнаружить этот измененный резонанс.Прорыв в измерительной технике?
Теоретический анализ и экспериментальные методы исследователей в группах профессора Дэниела Лосса и профессора Патрика Малетинского показали, что использование таких ферромагнитных частиц может привести к десятиитысячному усилению магнитного поля ядерных спинов. «Я уверен, что наша концепция скоро будет реализована в реальных системах и приведет к прорыву в метрологии», — комментирует недавнюю публикацию Дэниел Лосс, в которой первый автор доктор Лука Трифунович, постдок группы Loss, внес существенный вклад и который был выполнен в сотрудничестве с коллегами из Института квантовой информации JARA (Ахен, Германия) и Гарвардского университета (Кембридж, США).