Метод основан на ядерном магнитном резонансе, который использует тот факт, что определенные атомные ядра взаимодействуют с магнитным полем. Ключевым фактором здесь является ядерный спин, который можно сравнить с вращением детского волчка.
Подобно волчку, которая начинает колебаться – эксперты называют это прецессией – ядерные спины, подвергшиеся воздействию магнитного поля, начинают прецессию. Это генерирует электромагнитный сигнал, который можно измерить с помощью индукционной катушки.
Более высокое разрешение
Группа исследователей под руководством Кристиана Дегена, профессора физики твердого тела в ETH Zurich, разработала новый подход, позволяющий напрямую отслеживать прецессию одиночных ядерных спинов. Для сравнения: обычные измерения ЯМР обычно требуют от 1012 до 1018 атомных ядер, чтобы зарегистрировать сигнал измерения.
В своем проекте исследователи ETH проанализировали поведение атомов углерода-13 в алмазах. Вместо того, чтобы использовать обычные методы для измерения прецессии ядра углерода, они использовали спин соседнего электрона в N-V центре – дефект в кристаллической решетке алмаза – в качестве датчика. Кристиан Куджиа, докторант в группе Дегена, резюмирует принцип следующим образом: «Мы используем вторую квантовую систему для изучения поведения первой квантовой системы.
Таким образом, мы создали очень чувствительный способ измерения."
Возможности для будущих приложений
Квантовые системы сложно определить, поскольку любое измерение также повлияет на наблюдаемую систему. Следовательно, исследователи не смогли постоянно отслеживать прецессию; его движение было бы слишком радикально изменено. Чтобы решить эту проблему, они разработали специальный метод измерения, позволяющий фиксировать спин атома углерода с помощью серии слабых измерений в быстрой последовательности. В результате они смогли сохранить влияние своего наблюдения настолько маленьким, что не оказали заметного влияния на систему, оставляя первоначальное круговое движение заметным.
«Наш метод открывает путь к значительным достижениям в технологии ЯМР», – объясняет Деген. "Это потенциально позволяет нам напрямую записывать спектры отдельных молекул и анализировать структуры на атомном уровне.«В качестве первого примера физики определили трехмерное положение ядер углерода в решетке алмаза с атомным разрешением. В этом развитии физики видят огромный потенциал. Такие подробные измерения ЯМР могут привести к совершенно новым открытиям во многих областях, как это уже имело место с традиционной ЯМР-спектроскопией в последние десятилетия."