Chụp ảnh cộng hưởng từ MRI ở cấp độ nguyên tử

Các nhà nghiên cứu ở QuTech, một nhóm hợp tác của Đại học Công nghệ Delft và TNO, đã phát triển một công nghệ thụ cảm lượng tử từ mới có thể chụp ảnh các mẫu với độ phân giải ở cấp độ nguyên tử. Nó hứa hẹn mở ra cánh cửa đến việc chụp ảnh các đơn phân tử, giống như các protein và những hệ phức hợp khác.

Tim Taminiau (trái), Mohamed Abobeih và Joe Randall (phải) trong phòng thí nghiệm với mô hình 3D của các spin trong cấu trúc kim cương được chụp bằng phương pháo mới. Nguồn: Ernst de Groot for QuTech

Nhóm nghiên cứu đã thông báo kết quả nghiên cứu của họ trên Nature “Atomic-scale imaging of a 27-nuclear-spin cluster using a quantum sensor”.

Chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) và cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) đều là những phương pháp rất hữu hiệu và được sử dụng rộng rãi trong khoa học vật liệu, sinh học, hóa học và y học. Nhiều hạt nhân nguyên tử đều có một tính chất gọi là spin. Các hạt nhân nguyên tử hành xử giống như những từ trường nhỏ, vốn có thể được dò bằng việc sử dụng các ăng ten.

Các hình ảnh từ là phương pháp kiểm tra không xâm lấn, có thể phân biệt được các loại khác nhau của các nguyên tử và hoạt động trong những điều kiện đa dạng, bao gồm cả nhiệt độ phòng. Nhưng các phương pháp hiện nay bị giới hạn ở mức trung bình đến với số lượng của các nguyên tử, và khó có thể đạt được hình ảnh của các đơn phân tử hay những cấu trúc ở cấp độ nano. Các nhà nghiên cứu tại QuTech hiện đã có một bước tiến quan trọng vượt qua giới hạn đó.

Các cảm biến lượng tử

“Nghiên cứu của chúng tôi được thực hiện trên nền tảng trung tâm khuyết ni tơ (NV)”, tác giả thứ nhất Mohamed Abobeih nói. “Trung tâm khuyết ni tơ này xuất hiện một cách tự nhiên trong kim cương: hai nguyên tử carbon được thay thế bằng một nguyên tử ni tơ đơn. Trung tâm này bẫy một spin electron đơn có tể có chức năng như một cảm biến ở kích thước nguyên tử. Bằng việc điều kiển chính xác electron này, chúng ta có thể lựa chọn một cách chọn lọc từ trường rất nhỏ do các hạt nhân ỏ vùng lân cận tạo ra”.

“Tại QuTech, về cơ bản chúng tôi thường sử dụng các trung tâm trống ni tơnhư các bit lượng tử, các khối cơ bản cho máy tính lượng tử tương lai và internet lượng tử. Nhưng các đặc tính tương tự khiến các trung tâm trống ni tơ thành các bit lượng tử cũng khiến cho chúng trở thành các cảm biến lượng tử tốt”, Tim Taminiau, người dẫn dắt nghiên cứu, nói.

Hình ảnh 3D

Taminiau giải thích, nhóm nghiên cứu của ông trong nghiên cứu trước đó đã quan sát  được các spin hạt nhân được cô lập. “Các nghiên cứu trước cho thấy trung tâm trống ni tơ là đủ nhạy để giải quyết các tín hiệu rất nhỏ của các hạt nhân đơn lẻ. Nhưng với các ví dụ phức tạp về hình ảnh của các phân tử, chỉ dò bằng các spin của hạt nhân thì không đủ”, Taminiau nói. “Anh cần xác định một cách chính xác vị trí của mỗi spin trong cuộc chơi này, và đó là những gì chúng tôi đã thực hiện”.

“Chúng tôi phát triển một phương pháp để nắm bắt cấu trúc 3D của các hệ spin phức tạp”, Joe Randall – một đồng tác giả nghiên cứu, nói. “Mỗi spin hạt nhân đều cảm nhận được từ trường từ mọi spin của hạt nhân khác. Các tương tác này phụ thuộc vào những vị trí chính xác của các nguyên tử và do đó mã hóa được cấu trúc không gian. Ví dụ, hai nguyên tử gần nhau thường có xu hướng tương tác mạnh với nhau hơn. Chúng tôi phát triển các phương pháp này để đo đạc một cách chính xác các tương tác đó và chuyển chúng vào một hình ảnh 3D hoàn chỉnh với độ phân giải ở cấp độ nguyên tử”.

Độ phân giải ở cấp độ nguyên tử

Để kiểm chứng phương pháp của mình, các nhà nghiên cứu đã thử áp dụng nó trên một cụm gồm 27 nguyên tử  carbon-13 trong một kim cương siêu nguyên chất. Cụm các spin này cung cấp một hệ mẫu cho một nguyên tử. Sau khi đo đạc hơn 150 tương tác giữa các hạt nhân và chạy một thuật toán giải cấu trúc số rất mạnh, cấu trúc 3D đạt được với một độ chính xác về không gian nhỏ hơn nhiều kích thước của một nguyên tử.

Bước tiếp theo sẽ là do các mẫu bên ngoài kim cương bằng việc đưa các trung tâm trống ni tơ lại gần bề mặt. Mục tiêu cuối cùng là có khả năng chụp ảnh các đơn nguyên tử như các protein và các thiết bị lượng tử đơn lẻ với độ phân giải ở cấp độ nguyên tử.

Công bố trên Nature là hợp tác giữa QuTech và Element Six, nơi có nhiệm vụ nuôi các kim cương siêu tinh khiết để nghiên cứu.

Thanh Phương dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-12-mri-atomic-scale.html