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研究人员报告了原子尺度的MRI

QuTech的研究人员是TU Delft和TNO的合作伙伴,他们开发了一种新的磁量子传感技术,该技术可以以原子级分辨率对样品成像。它为逐个成像单个分子(如蛋白质和其他复杂系统)的成像打开了大门。该小组于12月18日在《自然》杂志上报告了他们的研究结果。

磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)是材料科学,生物学,化学和医学领域中功能强大且广泛使用的方法。许多原子核具有称为自旋的特性。原子核的行为就像小的磁铁,会产生微小的磁场,可以使用天线检测到。

磁成像是非侵入性的,可以区分不同类型的原子,并且可以在包括室温下在内的各种条件下工作。但是当前的方法仅限于对大量原子进行大体积平均,并且无法对单个分子或纳米级结构进行成像。QuTech的研究人员现在已经在克服这一局限性方面取得了重要进展。

量子传感器

第一作者穆罕默德·阿贝贝(Mohamed Abobeih)说:“我们的工作基于氮空位(NV)中心。“这个NV中心自然存在于钻石中:两个碳原子被一个氮原子取代。该中心捕获了一个电子自旋,可以用作原子大小的传感器。通过精确地操纵该电子,我们可以选择性地拾取微小的磁性附近的原子核产生的磁场。”

“在QuTech,我们通常将这些NV中心用作量子位,未来量子计算机和量子互联网的构建块。但是使NV中心成为好的量子位的相同属性,也使其成为好的量子传感器,” Tim Taminiau表示。研究者。

3D成像

塔米尼奥(Taminiau)解释说,他的团队建立在先前研究中,该研究观察到隔离良好的核自旋。Taminiau解释说:“这些较早的研究表明,NV中心足够灵敏,可以分辨单个核的微小信号。但是对于成像分子等复杂样本,仅检测核自旋是不够的。” “您需要精确确定样品中每次旋转的位置,而这正是我们着手要做的。”

QuTech的Mohamed Abobeih解释了一种新的磁量子传感技术,该技术可以以原子级分辨率对样品成像。Tim Taminiau小组的研究发表在《自然》杂志上:“使用量子传感器对27个核自旋簇的原子尺度成像”。图片来源:Bruno van Wayenburg for QuTech

合著者乔·兰德尔(Joe Randall)说:“我们开发了一种获得复杂自旋系统的3D结构的方法。” “每个核自旋都感受到其他所有核自旋的磁场。这些相互作用取决于原子的精确位置,因此编码了空间结构。例如,彼此靠近的两个原子趋于相互作用更强。我们开发了精确测量这些相互作用并将其转换为具有原子分辨率的完整3D图像的方法。”

原子尺度分辨率

为了测试他们的方法,研究人员将其应用于高纯度钻石中的27个碳13原子簇。这种自旋簇为分子提供了模型系统。在测量了原子核之间的150多个相互作用并运行了强烈的数值重建算法后,就获得了完整的3-D结构,其空间精度远小于原子的大小。

钻石外感测

下一步是通过使NV中心靠近表面来检测钻石外部的样品。最终目标是能够以原子分辨率成像单个分子(例如蛋白质)和单量子设备。

《自然》杂志的出版物是QuTech和Element Six的合作,后者生长了用于研究的超纯钻石。

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