Квантовые датчики с беспрецедентной чувствительностью

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) - это технология, лежащая в основе множества приложений, таких как медицинская визуализация, неврология или обнаружение наркотиков и взрывчатых веществ. С помощью квантовых датчиков ЯМР был адаптирован для работы в режиме наноразмерности, где он может повлиять на многие дисциплины, такие как науки о жизни, биология, медицина, и обеспечить измерения несравненной точности и чувствительности.

В частности, "мы ожидаем, что комбинация квантовых датчиков и методов динамической развязки позволит проводить ЯМР-визуализацию отдельных биомолекул", - заявили авторы, среди которых доктор Хорхе Казанова (исследователь из Икербаска) и профессор из Икербаска Энрике Солано из группы квантовых технологий в информатике (QUTIS) UPV / EHUКафедра физической химии, а также исследователи CSIC и Университета Ульма (Германия). Этот ЯМР с квантовым усилением "сможет разрешать химические сдвиги в крошечных пиколитровых образцах, создавая биосенсоры с беспрецедентной чувствительностью и предоставляя новое понимание структуры, динамики и функций биомолекул и биологических процессов", добавили они.

В этом контексте фундаментальным инструментом повышения чувствительности установок ЯМР является применение больших магнитных полей, "которые поляризуют наши образцы, усиливают сигнал и повышают когерентность", - отметили они. Эта стратегия используется, например, при МРТ, когда человеческое тело подвергается воздействию больших магнитных полей, генерируемых сверхпроводящими катушками. Однако при сопряжении этих образцов с нашими квантовыми датчиками возникают проблемы, "потому что наши образцы могут колебаться намного быстрее, чем наш датчик может уследить".

В работе, опубликованной в Physical Review Letters, авторы разработали протокол, позволяющий квантовому датчику измерять ядерные и электронные спины в произвольных образцах, даже когда они происходят в больших магнитных полях. Эти методы используют маломощное микроволновое излучение для преодоления разницы в энергии между их датчиком и образцом.

"Протокол надежен и требует меньше энергии, чем предыдущие методы. Это не только расширяет режим работы датчика до более сильных магнитных полей, но и предотвращает нагрев биологических образцов, который мог бы возникнуть при использовании обычных протоколов и микроволновых мощностей. Как следствие, эта работа открывает новое направление исследований и прокладывает путь к безопасному использованию наноразмерного ЯМР при изучении биологических образцов и больших биомолекул", - заявили авторы.