Imagine un sensor tan sensible que puede detectar cambios en la concentración de protones de una sola proteína, dentro de una sola celda. Este nivel de conocimiento revelaría una dinámica esquiva a escala cuántica de la función de esa proteína, potencialmente incluso en tiempo real, pero exige un sensor con funciones controlables a una escala similar.

Gracias a una nueva técnica de fabricación, Las capacidades de detección cuántica se están acercando ahora a esta escala de precisión. Como informan esta semana en Letras de física aplicada , investigadores en Japón han formado de manera reproducible un conjunto alineado de sensores cuánticos llamados centros de vacantes de nitrógeno (NV), a solo nanómetros de la superficie de su sustrato.

Verificado por mediciones de resonancia magnética nuclear (RMN) a nanoescala, Estos resultados marcan un camino claro hacia el diseño a nivel atómico de sensores cuánticos con áreas de superficie más grandes de lo que normalmente se puede lograr. Esta es la primera demostración de esta medición de RMN a nanoescala con una alineación perfecta, centros NV de alta densidad cerca de la superficie, marcando un gran avance para la investigación de la magnetometría cuántica.

"La forma de combinar recuentos altos y alto contraste es tener la alineación, porque cuando tiene la alineación, básicamente tiene el beneficio de los NV únicos combinados con los conteos altos obtenidos de los centros de NV del conjunto, ", dijo Hitoshi Ishiwata del Instituto de Tecnología de Tokio y autor principal del artículo." Eso es lo que básicamente hicimos, muy cerca de la superficie, dentro de los 10 nanómetros, y demostramos que con una medición SIMS [Espectrometría de masas de iones secundarios], además de medir nano RMN, que muestra la aproximación de la distancia de NV desde la superficie ".

Centros NV, ya es una herramienta popular en el mundo de la detección cuántica, son tipos específicos de impurezas en la estructura cristalina del diamante. Para una sola unidad de la configuración puramente de carbono del diamante, el centro NV consiste en un átomo de nitrógeno adyacente a un átomo faltante (vacío) en la red del cristal. Este defecto puede ocurrir en una de las cuatro posibles ubicaciones en el cristal de la unidad, y cada uno proporciona una señal de fotón único cuya firma espectral depende del espín nuclear.

La nueva técnica utiliza una combinación de deposición química de vapor (CVD) y pulido direccional para controlar cómo se forman los NV en la red. Por su sustrato de diamante, que tiene una superficie comúnmente alineada, donde la celosía está orientada a lo largo del mismo plano cristolarográfico (llamado 111 en este caso), Ishiwata y sus colegas lograron conjuntos de NV, todos con la misma orientación. Para un sustrato que mide aproximadamente 10 micrones de ancho, poco menos que el ancho de un cabello humano, su método puede producir alrededor de 10, 000 tales centros dentro de los 10 nanómetros de la superficie.

NV en las mismas ubicaciones respectivas de sus unidades de cristal y tan cerca de la superficie, el grupo podría realizar una detección por RMN a nanoescala del flúor en el aceite que entra en contacto con el sustrato. La confiabilidad de su método de fabricación tiene (literalmente) aplicaciones de gran alcance para mediciones de campo amplio, asegurando la detección de alto contraste en áreas de muestra relativamente grandes.

"El otro beneficio de los centros NV de alta densidad con alineación es realizar imágenes de campo amplio con alta sensibilidad, "Dijo Ishiwata." Antes era imposible tener una alta sensibilidad para imágenes de campo amplio debido a la dificultad de obtener la alineación de los centros NV con alta densidad. Con nuestra técnica, Ahora es posible obtener imágenes de campo amplio de alto contraste con una alta relación señal / ruido, lo que conduce a imágenes de campo amplio de alta sensibilidad ".

A medida que el grupo continúa buscando formas de mejorar aún más el método, también están buscando explorar aplicaciones de estos conjuntos en la detección resuelta en el tiempo, utilizando láseres pulsados ​​para proporcionar información de protones en tiempo real de muestras dinámicas. El propio Ishiwata estaba particularmente entusiasmado con las posibilidades de comprender las células biológicas como nunca antes.

"Una aplicación futura de este material es la observación de membranas celulares individuales porque nuestro material es adecuado para observar RMN a nanoescala en la escala de volumen de 17 nanómetros cúbicos, que es comparable al grosor de las membranas celulares (~ 5 nanómetros), "Dijo Ishiwata." Así que podríamos utilizar este material y técnica de medición para sondear localmente la actividad a nanoescala de proteínas que existe en la membrana celular con alta sensibilidad ".