Los diamantes pueden ser el mejor amigo de una chica pero también podrían algún día ayudarnos a comprender cómo el cerebro procesa la información, gracias a una nueva técnica de detección desarrollada en el MIT.

Un equipo del Grupo de Ingeniería Cuántica del MIT ha desarrollado un nuevo método para controlar sensores de diamantes a nanoescala, que son capaces de medir incluso campos magnéticos muy débiles. Los investigadores presentan su trabajo esta semana en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

La nueva técnica de control permite que los pequeños sensores monitoreen cómo estos campos magnéticos cambian con el tiempo, como cuando las neuronas del cerebro se transmiten señales eléctricas entre sí. También podría permitir a los investigadores medir con mayor precisión los campos magnéticos producidos por materiales novedosos, como los metamateriales utilizados para hacer superlentes y "capas de invisibilidad".

En 2008 un equipo de investigadores del MIT, Universidad Harvard, y otras instituciones revelaron por primera vez que los defectos a nanoescala dentro de los diamantes podrían usarse como sensores magnéticos.

Los defectos que ocurren naturalmente, conocidos como centros de nitrógeno vacante (N-V), son sensibles a los campos magnéticos externos, al igual que las brújulas, dice Paola Cappellaro, la Profesora Asociada Esther y Harold Edgerton de Ciencia e Ingeniería Nuclear (NSE) en el MIT.

Los defectos dentro de los diamantes también se conocen como centros de color, Cappellaro dice, ya que dan a las piedras preciosas un tono particular:"Si alguna vez ves un bonito diamante azul o rosa, el color se debe al hecho de que hay defectos en el diamante ".

El defecto del centro N-V consiste en un átomo de nitrógeno en lugar de un átomo de carbono y junto a una vacante —o hueco— dentro de la estructura reticular del diamante. Muchos de esos defectos dentro de un diamante le darían a la piedra preciosa un color rosa, y cuando se iluminan con luz emiten una luz roja, Dice Cappellaro.

Para desarrollar el nuevo método de control de estos sensores, El equipo de Cappellaro primero sondeó el diamante con luz láser verde hasta que detectaron que se emitía una luz roja. que les dijo exactamente dónde se encontraba el defecto.

Luego aplicaron un campo de microondas al sensor a nanoescala, para manipular el espín del electrón del centro N-V. Esto altera la intensidad de la luz emitida por el defecto, en un grado que depende no solo del campo de microondas sino también de cualquier campo magnético externo presente.

Para medir campos magnéticos externos y cómo cambian con el tiempo, los investigadores apuntaron al sensor a nanoescala con un pulso de microondas, que cambió la dirección del espín del electrón del centro N-V, dice el miembro del equipo y estudiante graduado de NSE Alexandre Cooper. Aplicando diferentes series de estos pulsos, actuando como filtros, cada uno de los cuales cambiaba la dirección del giro del electrón un número diferente de veces, el equipo pudo recopilar información de manera eficiente sobre el campo magnético externo.

Luego aplicaron técnicas de procesamiento de señales para interpretar esta información y la usaron para reconstruir todo el campo magnético. "Para que podamos reconstruir toda la dinámica de este campo magnético externo, lo que le brinda más información sobre los fenómenos subyacentes que están creando el campo magnético en sí, "Dice Cappellaro.

El equipo utilizó un cuadrado de diamante de tres milímetros de diámetro como muestra, pero es posible utilizar sensores que solo tengan decenas de nanómetros de tamaño. Los sensores de diamante se pueden utilizar a temperatura ambiente, y como se componen enteramente de carbono, podrían inyectarse en células vivas sin causarles ningún daño, Dice Cappellaro.

Una posibilidad sería hacer crecer neuronas encima del sensor de diamante, para permitirle medir los campos magnéticos creados por el "potencial de acción, "o señal, producen y luego transmiten a otros nervios.

Previamente, Los investigadores han utilizado electrodos dentro del cerebro para "pinchar" una neurona y medir el campo eléctrico producido. Sin embargo, esta es una técnica muy invasiva, Dice Cappellaro. "No sabes si la neurona todavía se está comportando como lo haría si no hubieras hecho nada, " ella dice.

En lugar de, el sensor de diamante podría medir el campo magnético de forma no invasiva. "Podríamos tener una serie de estos centros de defectos para sondear diferentes ubicaciones en la neurona, y luego sabría cómo se propaga la señal de una posición a otra en el tiempo, "Dice Cappellaro.

En experimentos para demostrar su sensor, el equipo utilizó una guía de ondas como neurona artificial y aplicó un campo magnético externo. Cuando colocaron el sensor de diamante en la guía de ondas, pudieron reconstruir con precisión el campo magnético. Mikhail Lukin, profesor de física en Harvard, dice que el trabajo demuestra muy bien la capacidad de reconstruir perfiles dependientes del tiempo de campos magnéticos débiles utilizando un sensor magnético novedoso basado en la manipulación cuántica de defectos en diamantes.

"Algún día, las técnicas demostradas en este trabajo pueden permitirnos detectar en tiempo real la actividad cerebral y aprender cómo funcionan, "dice Lukin, que no participó en esta investigación. "Las posibles implicaciones de largo alcance pueden incluir la detección y eventual tratamiento de enfermedades cerebrales, aunque queda mucho por hacer para demostrar si esto realmente se puede hacer, " él añade.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.