Focus sui singoli atomi

La spettroscopia di risonanza magnetica nucleare - in breve spettroscopia NMR - è uno dei più importanti metodi di indagine fisico-chimica. Può essere utilizzata, ad esempio, per determinare con precisione la struttura e la dinamica delle molecole. L'importanza di questo metodo per la scienza è dimostrata anche dal fatto che gli ultimi due premi Nobel dell'ETH di Zurigo, Richard Ernst e Kurt Wüthrich, sono stati premiati per gli ulteriori sviluppi di questo metodo.

La tecnologia si basa sulla risonanza magnetica nucleare. Sfrutta il fatto che alcuni nuclei atomici interagiscono con un campo magnetico. Lo spin nucleare è un parametro importante. ? paragonabile all'asse di rotazione di una trottola per bambini. Come quando una trottola inizia a oscillare - gli esperti parlano di precessione - anche gli spin nucleari esposti a un campo magnetico iniziano a precedere. Questo produce un segnale elettromagnetico che può essere misurato esternamente con una bobina di induzione.

Risoluzione enormemente più elevata

I ricercatori del gruppo di Christian Degen, professore di fisica dello stato solido all'ETH di Zurigo, hanno sviluppato un nuovo approccio che permette per la prima volta di seguire direttamente la precessione di un singolo spin nucleare. A titolo di paragone, le misurazioni NMR convenzionali richiedono almeno il 10¹² a 10¹⁸ I nuclei atomici sono necessari per registrare un segnale di misura.

Nel loro lavoro, i ricercatori dell'ETH hanno studiato il comportamento degli atomi di carbonio-13 nei diamanti. Invece di misurare la precessione del nucleo di carbonio nel modo convenzionale, hanno usato lo spin dell'elettrone vicino di un difetto del reticolo nel diamante - un cosiddetto centro NV - come sensore. "In questo modo utilizziamo un secondo sistema quantistico per studiare il comportamento del primo sistema quantistico", spiega Kristian Cujia, dottorando del gruppo di Degen, riassumendo il principio. "Abbiamo così creato un sistema di misura molto sensibile".

Grande potenziale per le applicazioni future

I sistemi quantistici sono oggetti delicati, poiché una misurazione influenza sempre il sistema sotto osservazione. I ricercatori non erano quindi in grado di monitorare continuamente il comportamento dello spin del carbonio, perché altrimenti il movimento di precessione sarebbe cambiato troppo. Hanno quindi sviluppato un metodo di misurazione speciale in cui lo spin dell'atomo di carbonio viene registrato con una serie di deboli misurazioni in rapida successione. In questo modo è stato possibile mantenere l'influenza dell'osservazione così piccola che il sistema non viene influenzato in modo misurabile e il movimento circolare originale rimane ancora riconoscibile.

"Il nostro metodo apre la strada a un notevole progresso nella tecnologia NMR", afferma Degen. "Come primo esempio, i fisici hanno determinato la posizione tridimensionale dei nuclei di carbonio nel reticolo del diamante con risoluzione atomica. La fisica vede un grande potenziale in questo sviluppo. "Misure NMR così dettagliate potrebbero portare a intuizioni completamente nuove in molti settori, proprio come la spettroscopia NMR convenzionale ha già fatto negli ultimi decenni".

Questo lavoro è stato svolto nell'ambito del Centro nazionale di competenza per la ricerca in scienza e tecnologia quantistica (NCCR QSIT).