ENGINEERINGNET.BE - Magnetic Resonance Imaging (MRI) en Nuclear Magnetic Resonance (NMR) zijn krachtige en veelgebruikte beeldvormingstechnieken in de materiaalkunde, biologie, chemie en geneeskunde.
Deze methoden maken gebruik van het feit dat veel atoomkernen een eigenschap hebben die spin genoemd wordt. Atoomkernen gedragen zich als kleine magneten die magnetische velden genereren. Deze velden kunnen met behulp van antennes worden gedetecteerd.
Magnetische beeldvorming is niet-invasief, kan verschillende soorten atomen onderscheiden, en werkt onder een breed scala aan omstandigheden, ook bij kamertemperatuur.
Maar de huidige methoden beperken zich tot het nemen van een gemiddelde over grote volumes met grote hoeveelheden atomen, en het is niet mogelijk om individuele moleculen of nanostructuren in beeld te brengen. Onderzoekers van QuTech hebben nu een belangrijke stap gezet om die beperking te overwinnen.
Mohamed Abobeih: ‘Ons werk is gebaseerd op het zogeheten NV-centrum, dat van nature voorkomt in diamant. Eén stikstofatoom neemt de plek van twee koolstofatomen in, waardoor er een ‘gat’ ontstaat waarin een enkele elektronenspin vast komt te zitten.
Deze elektronenspin gebruiken we als een soort quantumsensor. Door dit elektron precies te manipuleren kunnen we selectief de kleine magnetische velden oppakken die door kernen in de omgeving worden gecreëerd.’
Hoofdonderzoeker Tim Taminiau: ‘Bij ons gebruiken we deze NV-centra meestal als quantumbits, de bouwstenen voor toekomstige quantumcomputers en het quantuminternet. Maar dezelfde eigenschappen die NV-centra goede quantumbits maken, maken ze ook tot goede quantumsensoren.'
Taminiau en zijn team bouwen voort op eerder onderzoek waarbij goed geïsoleerde nucleaire spins werden geobserveerd. Die eerdere studies gaven aan dat het NV-centrum gevoelig genoeg is om de piepkleine signalen van individuele kernen te detecteren.
Maar voor het afbeelden van complexe systemen zoals moleculen is het niet voldoende om kernspins alleen maar te detecteren. De positie van alle spins moet precies bepaald worden, het doel van dit onderzoek.
Joe Randall: ‘We hebben een methode ontwikkeld om de 3D-structuur van complexe spinsystemen te verkrijgen. Elke kernspin voelt het magnetische veld van alle andere kernspins. Deze interacties hangen af van de precieze posities van de atomen en coderen dus de ruimtelijke structuur.
Twee atomen die dichter bij elkaar liggen, hebben bijvoorbeeld een sterkere interactie. We hebben methoden ontwikkeld om deze interacties nauwkeurig te meten en ze om te zetten in een volledig 3D-beeld met atomaire resolutie.’
Om hun methode te testen, pasten de onderzoekers het toe op een cluster van 27 koolstof-13 atomen in een zeer zuivere diamant. Deze structuur biedt een modelsysteem voor een molecuul.
Na het meten van meer dan 150 interacties tussen de kernen en het uitvoeren van een intensief numeriek reconstructiealgoritme, werd de volledige 3D-structuur verkregen met een ruimtelijke precisie die veel kleiner is dan de grootte van een atoom.
De volgende stap is het in kaart brengen van structuren buiten de diamant door NV-centra dicht bij de oppervlakte te brengen. Het uiteindelijke doel is om individuele moleculen, zoals eiwitten, en de kleinste onderdelen van quantumcomputers, met atomaire resolutie in beeld te brengen.
(bron en foto: TU Delft)
Op de foto:
Tim Taminiau (l), Mohamed Abobeih en Joe Randall (r) in het lab met een 3D model van de spins in de diamantstructuur, in kaart gebracht met behulp van de nieuwe methode (schaal 250.000.000 : 1).
Video:
