Investigadores de QuTech, una colaboración de TU Delft y TNO, han desarrollado una nueva tecnología de detección cuántica magnética que puede obtener imágenes de muestras con resolución a escala atómica. Abre la puerta a la obtención de imágenes de moléculas individuales, como proteínas y otros sistemas complejos, átomo por átomo. El equipo informa sobre sus resultados en Naturaleza el 18 de diciembre.

La resonancia magnética (MRI) y la resonancia magnética nuclear (NMR) son métodos poderosos y ampliamente utilizados en la ciencia de los materiales. biología, química y medicina. Muchos núcleos atómicos tienen una propiedad llamada espín. Los núcleos atómicos se comportan como pequeños imanes que generan diminutos campos magnéticos, que se puede detectar mediante antenas.

Las imágenes magnéticas no son invasivas, puede distinguir diferentes tipos de átomos, y trabaja en una amplia gama de condiciones, incluso a temperatura ambiente. Pero los métodos actuales se limitan a promediar grandes volúmenes con grandes cantidades de átomos, y no es posible obtener imágenes de moléculas individuales o estructuras a nanoescala. Los investigadores de QuTech ahora han logrado un avance importante para superar esa limitación.

Sensores cuánticos

"Nuestro trabajo se basa en el centro de vacantes de nitrógeno (NV), ", dijo el primer autor Mohamed Abobeih." Este centro NV se encuentra naturalmente en el diamante:dos átomos de carbono son reemplazados por un solo átomo de nitrógeno. El centro atrapa un espín de un solo electrón que puede funcionar como un sensor de tamaño atómico. Al manipular con precisión este electrón, podemos captar selectivamente los minúsculos campos magnéticos creados por los núcleos cercanos ".

"En QuTech generalmente usamos estos centros NV como bits cuánticos, los componentes básicos de las futuras computadoras cuánticas y la Internet cuántica. Pero las mismas propiedades que hacen que los centros NV sean buenos bits cuánticos, también los convierte en buenos sensores cuánticos, "dijo Tim Taminiau, investigador principal.

Imágenes 3-D

Taminiau explicó que su equipo se basó en investigaciones anteriores que observaban espines nucleares bien aislados. "Estos estudios anteriores indicaron que el centro NV es lo suficientemente sensible como para resolver las señales diminutas de los núcleos individuales. Pero para obtener imágenes de muestras complejas como moléculas, solo detectar espines nucleares no es suficiente, "explicó Taminiau." Necesita determinar con precisión la posición de cada giro en la muestra, y eso es lo que nos propusimos hacer ".

"Desarrollamos un método para obtener la estructura tridimensional de sistemas de espín complejos, ", dijo el coautor Joe Randall." Cada espín nuclear siente el campo magnético de todos los demás espines nucleares. Estas interacciones dependen de las posiciones precisas de los átomos y, por tanto, codifican la estructura espacial. Por ejemplo, dos átomos que están más cerca uno del otro tienden a interactuar con más fuerza. Desarrollamos métodos para medir con precisión estas interacciones y transformarlas en una imagen tridimensional completa con resolución atómica ".

Resolución a escala atómica

Para probar su método, los investigadores lo aplicaron a un grupo de 27 átomos de carbono 13 en un diamante de alta pureza. Este grupo de espines proporciona un sistema modelo para una molécula. Después de medir más de 150 interacciones entre los núcleos y ejecutar un intenso algoritmo de reconstrucción numérica, la estructura tridimensional completa se obtuvo con una precisión espacial mucho menor que el tamaño de un átomo.

Sintiendo fuera del diamante

El siguiente paso es detectar muestras fuera del diamante acercando los centros NV a la superficie. El objetivo final es poder obtener imágenes de moléculas individuales, como las proteínas, y dispositivos cuánticos únicos con resolución atómica.

La publicación en Naturaleza es una colaboración de QuTech y Element Six, que cultivó los diamantes ultrapuros utilizados en la investigación.