QuTech realiseert 'MRI op atomaire schaal'
Onderzoekers van QuTech, een samenwerking tussen TU Delft en TNO, hebben met behulp van quantumtechnologie een magnetische beeldvormingstechniek ontwikkeld die 3D-beelden kan maken met atomaire resolutie. De methode opent de deur naar het in kaart brengen van individuele moleculen, zoals eiwitten, en andere complexe systemen, atoom voor atoom. De resultaten zijn op woensdag 18 december gepubliceerd in Nature.
Magnetische resonantie
Magnetic Resonance Imaging (MRI) en Nuclear Magnetic Resonance (NMR) zijn krachtige en veelgebruikte beeldvormingstechnieken in de materiaalkunde, biologie, chemie en geneeskunde. Deze methoden maken gebruik van het feit dat veel atoomkernen een eigenschap hebben die spin genoemd wordt. Atoomkernen gedragen zich als kleine magneten die magnetische velden genereren. Deze velden kunnen met behulp van antennes worden gedetecteerd.
Magnetische beeldvorming is niet-invasief, kan verschillende soorten atomen onderscheiden, en werkt onder een breed scala aan omstandigheden, ook bij kamertemperatuur. Maar de huidige methoden beperken zich tot het nemen van een gemiddelde over grote volumes met grote hoeveelheden atomen, en het is niet mogelijk om individuele moleculen of nanostructuren in beeld te brengen. Onderzoekers van QuTech hebben nu een belangrijke stap gezet om die beperking te overwinnen.
Tim Taminiau (l), Mohamed Abobeih en Joe Randall (r) in het lab met een 3D model van de spins in de diamantstructuur, in kaart gebracht met behulp van de nieuwe methode (schaal 250.000.000 : 1).
Quantum sensoren
‘Ons werk is gebaseerd op het zogeheten NV-centrum', vertelt eerste auteur Mohamed Abobeih. ‘Dit NV-centrum komt van nature voor in diamant: één stikstofatoom neemt de plek van twee koolstofatomen in, waardoor er een ‘gat’ ontstaat waarin een enkele elektronenspin vast komt te zitten. Deze elektronenspin gebruiken we als een soort quantumsensor. Door dit elektron precies te manipuleren kunnen we selectief de kleine magnetische velden oppakken die door kernen in de omgeving worden gecreëerd.’
‘Bij QuTech gebruiken we deze NV-centra meestal als quantumbits, de bouwstenen voor toekomstige quantumcomputers en het quantuminternet. Maar dezelfde eigenschappen die NV-centra goede quantumbits maken, maken ze ook tot goede quantumsensoren', aldus Tim Taminiau, hoofdonderzoeker.
3D-beeldvorming
Taminiau legt uit dat zijn team voortbouwt op eerder onderzoek waarbij goed geïsoleerde nucleaire spins werden geobserveerd. ‘Deze eerdere studies gaven aan dat het NV-centrum gevoelig genoeg is om de piepkleine signalen van individuele kernen te detecteren. Maar voor het afbeelden van complexe systemen zoals moleculen is het niet voldoende om kernspins alleen maar te detecteren’, legt Taminiau uit. ‘Je moet de positie van alle spins precies bepalen, en dit was het doel van ons onderzoek.’
‘We hebben een methode ontwikkeld om de 3D-structuur van complexe spinsystemen te verkrijgen', zei co-auteur Joe Randall. ‘Elke kernspin voelt het magnetische veld van alle andere kernspins. Deze interacties hangen af van de precieze posities van de atomen en coderen dus de ruimtelijke structuur. Twee atomen die dichter bij elkaar liggen, hebben bijvoorbeeld een sterkere interactie. We hebben methoden ontwikkeld om deze interacties nauwkeurig te meten en ze om te zetten in een volledig 3D-beeld met atomaire resolutie.’
Resolutie op atomaire schaal
Om hun methode te testen, pasten de onderzoekers het toe op een cluster van 27 koolstof-13 atomen in een zeer zuivere diamant. Deze structuur biedt een modelsysteem voor een molecuul. Na het meten van meer dan 150 interacties tussen de kernen en het uitvoeren van een intensief numeriek reconstructiealgoritme, werd de volledige 3D-structuur verkregen met een ruimtelijke precisie die veel kleiner is dan de grootte van een atoom.
Beeldvorming buiten de diamant
De volgende stap is het in kaart brengen van structuren buiten de diamant door NV-centra dicht bij de oppervlakte te brengen. Het uiteindelijke doel is om individuele moleculen, zoals eiwitten, en de kleinste onderdelen van quantumcomputers, met atomaire resolutie in beeld te brengen.
De publicatie in Nature is een samenwerking tussen QuTech en Element Six, die de ultrazuivere diamanten hebben gekweekt.
Meer informatie
Publicatie: Atomic-scale imaging of a 27-nuclear-spin cluster using a quantum sensor
M. H. Abobeih, J. Randall, C. E. Bradley, H. P. Bartling, M. A. Bakker, M. J. Degen, M. Markham, D. J. Twitchen, T. H. Taminiau, Nature, 18 December 2019, DOI 10.1038/s41586-019-1834-7
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1834-7
Financiering
Het onderzoek wordt mede mogelijk gemaakt door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO/OCW) via een Vidi-subsidie, als onderdeel van het programma Frontiers of Nanoscience (NanoFront) en als onderdeel van het Quantum Software Consortium programma (projectnummer 024.003.037/3368)
Animatie en fotografie
De foto is gratis te gebruiken, o.v.v. Ernst de Groot voor QuTech.
De animatie is gratis te gebruiken, o.v.v. Bruno van Wayenburg voor QuTech.
