 |
| Καθορισμός του spin των διαμαντιών |
Η τεχνολογία Απεικόνισης Μαγνητικού συντονισμού έχει συρρικνωθεί σε νανοκλίμακα από δύο ανεξάρτητες ομάδες ερευνητών, έτσι ώστε μοριακά δείγματα λίγα κυβικά νανόμετρα σε όγκο, μπορούν τώρα να ανιχνευθούν και απεικονίστηκαν σε θερμοκρασία δωματίου. Οι δύο ομάδες χρησιμοποίησαν κενές θέσεις αζώτου σε διαμάντια σαν αισθητήρες μαγνητικού πεδίου για την ανίχνευση τέτοιων λεπτών δειγμάτων. Η έρευνα θα μπορούσε να είναι το πρώτο βήμα προς την πλήρη 3D μοριακής κλίμακας Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (MRI) και Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR).
Κλασικές εικόνες
Η κλασσική MRI και η συναφής χημική - NMR διαγνωστική τεχνική είναι χρήσιμα εργαλεία, δεδομένου ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη δειγμάτων, ακόμη και σε ζωντανούς οργανισμούς μη επεμβατικά. Ωστόσο, όταν ένα δείγμα είναι μικρότερο από μερικά μικρά, η τεχνική δεν έχει την απαιτούμενη ευαισθησία για να λειτουργήσει καλά. Αυτό συμβαίνει επειδή ένα τμήμα της συσκευής - η κεραία ή το μαγνητικό πηνίο επαγωγής - που συλλέγει το μαγνητικό σήμα από το δείγμα που μετράται δεν μπορεί να είναι μικρότερο από μερικά μικρά και έτσι δεν μπορεί να πάρει σήμα από μικροσκοπικές ποσότητες. Άλλες μέθοδοι, όπως το μικροσκόπιο μαγνητικής τομογραφίας (MRFM), έχουν αναπτυχθεί για εικόνες σε πολύ μικρές κλίμακες, αλλά αυτά λειτουργούν μόνο σε θερμοκρασίες πολύ χαμηλές και έτσι δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν έξω από το εργαστήριο στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον.
Η νέα μέθοδος χρησιμοποιεί τις κενές θέσεις (NV) σε ελαττώματα αζώτου, τα οποία συμβαίνουν όταν δύο άτομα άνθρακα γειτονικά στα διαμάντια αντικατασταθούν από ένα άτομο αζώτου και ένα κενό χώρο στο πλέγμα. Οι NV θέσεις είναι ικανές να ανιχνεύουν τις πολύ ασθενείς ταλαντώσεις των μαγνητικών πεδίων που προέρχονται από τα spin των πρωτονίων σε ένα δείγμα.
Ελαττώματα και κενές θέσεις
Οι Tobias Staudacher και Friedemann Reinhard του Πανεπιστημίου της Στουτγάρδης, στη Γερμανία, και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν αυτά τα ελαττώματα NV για την καταγραφή των φασμάτων NMR των διαφόρων υλικών που υπάρχουν στην επιφάνεια ενός διαμαντιού. Πρώτα η ομάδα ενσωματώνει σε ένα μόνο ελάττωμα NV 7 nm κάτω από την επιφάνεια του διαμαντιού. "Σε ένα κβαντικό επίπεδο, το NV είναι σε μια κατάσταση δύο spin -. Φωτεινός και σκοτεινός φθορισμός. Έτσι, έχουμε δημιουργήσει ένα πολύ βασικό αλγόριθμο κβαντικό ή πρωτόκολλο - το spin μεταπηδά από φωτεινό σε σκοτεινό μόνο αν ανιχνεύσει ταλαντώσεις πρωτονίου και μπορούμε να το ανιχνεύσουμε με μια φωτοδίοδο ή κάμερα ", εξηγεί ο Reinhard. Η ομάδα αυτή τη μέθοδο που χρησιμοποιείται για να ανιχνεύσει τα spin πρωτονίων από έναν αριθμό υγρών και στερεών δειγμάτων που τοποθετούνται σην επιφάνεια του διαμαντιού.
Δημιουργεί μια πραγματικά 3D εικόνα σε νανοκλίμακα, όμως, το δείγμα με κάποιο τρόπο θα πρέπει να μετακινηθεί? Καθώς όμως η τρέχουσα μέθοδος περιλαμβάνει και αυτή την τοποθέτηση στην επιφάνεια του διαμαντιού, αυτό δεν είναι δυνατό. Αντ 'αυτού, ο Reinhard και η ομάδα του αναπτύσσουν σήμερα ένα διαμάντι (με ένα ελάττωμα NV) στο ατομικό μικροσκόπιο (AFM), που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σαν συσκευή σάρωσης για την εικόνα ενός δείγματος σε πλήρες 3D. "Είμαστε πολύ αισιόδοξοι για αυτή τη μέθοδο και αμέσως φτιάξαμε αυτή τη συσκευή" λέει ο Reinhard.
Επίσης, επισημαίνει ότι, ενώ είναι σε θέση να πραγματοποιήσουν τη διαδικασία σε θερμοκρασία δωματίου είναι ένα τεράστιο πλεονέκτημα, η ομάδα θα βασιστεί επίσης ορισμένες μονάδες της συσκευής διαμάντι AFM για μελέτες χαμηλής θερμοκρασίας. Λέει στο physicsworld.com ότι πολλά δείγματα, όπως οι πρωτεΐνες, χρειάζονται χαμηλές θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της απεικόνισης, επειδή "κινούνται και μεταβάλλονται πάρα πολύ σε θερμοκρασία δωματίου, έτσι ώστε το πάγωμα τους θα δώσει μια πιο ακριβή εικόνα".
Ποικίλες εφαρμογές
Ο Reinhard ισχυρίζεται ότι, εκτός από την πιο βασική εφαρμογή - να είναι σε θέση να μελετήσει ένα μόνο άτομο σε θερμοκρασία δωματίου - στο μέλλον η μέθοδος θα μπορούσε να έχει πολλές άλλες εφαρμογές. Ισχυρίζεται ότι η τεχνική θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές Σστερεάς Κατάστασης και την εικόνα της κοινότητας της νανοτεχνολογίας στις μικροσκοπικές συσκευές τους, όπως για «κάθε άτομο σε μια συσκευή που έχει ενδιαφέρον». Επί του παρόντος, οι ερευνητές νανοτεχνολογίας μπορούν μόνο να απεικονίσουν την επιφάνεια των συσκευών τους.
"Χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική, θα μπορούσαν επιλεκτικά και χημικά να απεικονίσουν κάτω από την επιφάνεια», λέει ο Reinhard.
Μία άλλη πιθανή εφαρμογή της μεθόδου περιλαμβάνει το να χρησιμοποιηθεί σαν ένα πολωτικό μέσο για την παραδοσιακή NMR. Αυτό συνεπάγεται το πολωτικό ελάττωμα NV και η μεταφορά αυτής της πόλωσης από το ελάττωμα στο δείγμα.
Η μέθοδος θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί σε αποθήκευση κβαντικών πληροφοριών - spin που έχουν αποθηκευτεί και στη συνέχεια ανακτώνται από ένα NV, παρέχοντας τρόπο για την αποθήκευση πληροφοριών σε ένα κβαντικό υπολογιστή.
Επεμβατικές μετρήσεις
Σε μια άλλη ομάδα μετέχουν οι Dan Rugar και John Mamin του τμήματος ερευνών της ΙΒΜ στην Καλιφόρνια, ΗΠΑ και οι συνεργάτες τους. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επίσης NVs σε ένα διαμάντι, ακριβώς κάτω από την επιφάνεια του. Ωστόσο, το δείγμα τους δεν ήταν στην επιφάνεια του ίδιου του διαμαντιού, αλλά τοποθετείται δίπλα του. Το δείγμα τους ήταν ένα οργανικό πολυμερές. Μπορούν να χειριστούν τα σπιν ηλεκτρονίου- επί των ελαττωμάτων NV όπως το σπιν του δείγματος με ένα πρόσθετο πεδίο ραδιοσυχνοτήτων να χειριστούν τα ηλεκτρόνια στα άτομα υδρογόνου στο δείγμα. Η ομάδα πιστεύει ότι αυτή η ευαισθησία της τεχνικής θα μπορούσε, κάποια μέρα, ακόμη να μελετηθούν και μεμονωμένα πρωτόνια.
Η έρευνα δημοσιεύεται στο Science.
Πηγή, physicsworld
Απόδοση, Δ. Γιάκας
Η κλασσική MRI και η συναφής χημική - NMR διαγνωστική τεχνική είναι χρήσιμα εργαλεία, δεδομένου ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη δειγμάτων, ακόμη και σε ζωντανούς οργανισμούς μη επεμβατικά. Ωστόσο, όταν ένα δείγμα είναι μικρότερο από μερικά μικρά, η τεχνική δεν έχει την απαιτούμενη ευαισθησία για να λειτουργήσει καλά. Αυτό συμβαίνει επειδή ένα τμήμα της συσκευής - η κεραία ή το μαγνητικό πηνίο επαγωγής - που συλλέγει το μαγνητικό σήμα από το δείγμα που μετράται δεν μπορεί να είναι μικρότερο από μερικά μικρά και έτσι δεν μπορεί να πάρει σήμα από μικροσκοπικές ποσότητες. Άλλες μέθοδοι, όπως το μικροσκόπιο μαγνητικής τομογραφίας (MRFM), έχουν αναπτυχθεί για εικόνες σε πολύ μικρές κλίμακες, αλλά αυτά λειτουργούν μόνο σε θερμοκρασίες πολύ χαμηλές και έτσι δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν έξω από το εργαστήριο στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον.
Η νέα μέθοδος χρησιμοποιεί τις κενές θέσεις (NV) σε ελαττώματα αζώτου, τα οποία συμβαίνουν όταν δύο άτομα άνθρακα γειτονικά στα διαμάντια αντικατασταθούν από ένα άτομο αζώτου και ένα κενό χώρο στο πλέγμα. Οι NV θέσεις είναι ικανές να ανιχνεύουν τις πολύ ασθενείς ταλαντώσεις των μαγνητικών πεδίων που προέρχονται από τα spin των πρωτονίων σε ένα δείγμα.
Ελαττώματα και κενές θέσεις
Οι Tobias Staudacher και Friedemann Reinhard του Πανεπιστημίου της Στουτγάρδης, στη Γερμανία, και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν αυτά τα ελαττώματα NV για την καταγραφή των φασμάτων NMR των διαφόρων υλικών που υπάρχουν στην επιφάνεια ενός διαμαντιού. Πρώτα η ομάδα ενσωματώνει σε ένα μόνο ελάττωμα NV 7 nm κάτω από την επιφάνεια του διαμαντιού. "Σε ένα κβαντικό επίπεδο, το NV είναι σε μια κατάσταση δύο spin -. Φωτεινός και σκοτεινός φθορισμός. Έτσι, έχουμε δημιουργήσει ένα πολύ βασικό αλγόριθμο κβαντικό ή πρωτόκολλο - το spin μεταπηδά από φωτεινό σε σκοτεινό μόνο αν ανιχνεύσει ταλαντώσεις πρωτονίου και μπορούμε να το ανιχνεύσουμε με μια φωτοδίοδο ή κάμερα ", εξηγεί ο Reinhard. Η ομάδα αυτή τη μέθοδο που χρησιμοποιείται για να ανιχνεύσει τα spin πρωτονίων από έναν αριθμό υγρών και στερεών δειγμάτων που τοποθετούνται σην επιφάνεια του διαμαντιού.
Δημιουργεί μια πραγματικά 3D εικόνα σε νανοκλίμακα, όμως, το δείγμα με κάποιο τρόπο θα πρέπει να μετακινηθεί? Καθώς όμως η τρέχουσα μέθοδος περιλαμβάνει και αυτή την τοποθέτηση στην επιφάνεια του διαμαντιού, αυτό δεν είναι δυνατό. Αντ 'αυτού, ο Reinhard και η ομάδα του αναπτύσσουν σήμερα ένα διαμάντι (με ένα ελάττωμα NV) στο ατομικό μικροσκόπιο (AFM), που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σαν συσκευή σάρωσης για την εικόνα ενός δείγματος σε πλήρες 3D. "Είμαστε πολύ αισιόδοξοι για αυτή τη μέθοδο και αμέσως φτιάξαμε αυτή τη συσκευή" λέει ο Reinhard.
Επίσης, επισημαίνει ότι, ενώ είναι σε θέση να πραγματοποιήσουν τη διαδικασία σε θερμοκρασία δωματίου είναι ένα τεράστιο πλεονέκτημα, η ομάδα θα βασιστεί επίσης ορισμένες μονάδες της συσκευής διαμάντι AFM για μελέτες χαμηλής θερμοκρασίας. Λέει στο physicsworld.com ότι πολλά δείγματα, όπως οι πρωτεΐνες, χρειάζονται χαμηλές θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της απεικόνισης, επειδή "κινούνται και μεταβάλλονται πάρα πολύ σε θερμοκρασία δωματίου, έτσι ώστε το πάγωμα τους θα δώσει μια πιο ακριβή εικόνα".
Ποικίλες εφαρμογές
Ο Reinhard ισχυρίζεται ότι, εκτός από την πιο βασική εφαρμογή - να είναι σε θέση να μελετήσει ένα μόνο άτομο σε θερμοκρασία δωματίου - στο μέλλον η μέθοδος θα μπορούσε να έχει πολλές άλλες εφαρμογές. Ισχυρίζεται ότι η τεχνική θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές Σστερεάς Κατάστασης και την εικόνα της κοινότητας της νανοτεχνολογίας στις μικροσκοπικές συσκευές τους, όπως για «κάθε άτομο σε μια συσκευή που έχει ενδιαφέρον». Επί του παρόντος, οι ερευνητές νανοτεχνολογίας μπορούν μόνο να απεικονίσουν την επιφάνεια των συσκευών τους.
"Χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική, θα μπορούσαν επιλεκτικά και χημικά να απεικονίσουν κάτω από την επιφάνεια», λέει ο Reinhard.
Μία άλλη πιθανή εφαρμογή της μεθόδου περιλαμβάνει το να χρησιμοποιηθεί σαν ένα πολωτικό μέσο για την παραδοσιακή NMR. Αυτό συνεπάγεται το πολωτικό ελάττωμα NV και η μεταφορά αυτής της πόλωσης από το ελάττωμα στο δείγμα.
Η μέθοδος θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί σε αποθήκευση κβαντικών πληροφοριών - spin που έχουν αποθηκευτεί και στη συνέχεια ανακτώνται από ένα NV, παρέχοντας τρόπο για την αποθήκευση πληροφοριών σε ένα κβαντικό υπολογιστή.
Επεμβατικές μετρήσεις
Σε μια άλλη ομάδα μετέχουν οι Dan Rugar και John Mamin του τμήματος ερευνών της ΙΒΜ στην Καλιφόρνια, ΗΠΑ και οι συνεργάτες τους. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επίσης NVs σε ένα διαμάντι, ακριβώς κάτω από την επιφάνεια του. Ωστόσο, το δείγμα τους δεν ήταν στην επιφάνεια του ίδιου του διαμαντιού, αλλά τοποθετείται δίπλα του. Το δείγμα τους ήταν ένα οργανικό πολυμερές. Μπορούν να χειριστούν τα σπιν ηλεκτρονίου- επί των ελαττωμάτων NV όπως το σπιν του δείγματος με ένα πρόσθετο πεδίο ραδιοσυχνοτήτων να χειριστούν τα ηλεκτρόνια στα άτομα υδρογόνου στο δείγμα. Η ομάδα πιστεύει ότι αυτή η ευαισθησία της τεχνικής θα μπορούσε, κάποια μέρα, ακόμη να μελετηθούν και μεμονωμένα πρωτόνια.
Η έρευνα δημοσιεύεται στο Science.
Πηγή, physicsworld
Απόδοση, Δ. Γιάκας
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου