Onderzoekers creëren MRI-achtige techniek om magnetische golven in beeld te brengen

Een onderzoeksteam van de TU Delft, de Universiteit Leiden, de Tohoku Universiteit en het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter heeft een nieuw type MRI-scanner ontwikkeld die golven in ultradunne magneten kan visualiseren. In tegenstelling tot elektrische stromen produceren deze zogenaamde 'spingolven' weinig warmte, waardoor ze veelbelovende signaaldragers zijn voor toekomstige groene ICT-toepassingen.

MRI-scanners kunnen op een niet-invasieve manier in het menselijk lichaam kijken. De scanner detecteert de magnetische velden die door de atomen in het lichaam worden opgewekt, waardoor het mogelijk is om de gezondheid van organen te bestuderen, ook al zitten ze verborgen onder dikke lagen weefsel. Die niet-invasieve doorkijkkracht van MRI is voor veel onderzoeksgebieden en industrieën aantrekkelijk, en zou ook nuttig kunnen zijn als beeldvormingsinstrument in de nanotechnologie en de chipindustrie. 

Het kunnen detecteren van signalen in computerchips en andere nanodevices zou het optimaliseren van hun prestaties en het verminderen van hun warmteproductie makkelijker maken. De millimeterresolutie van conventionele MRI is echter onvoldoende om chips te bestuderen. Een team onderzoekers onder leiding van de TU Delft heeft nu een nieuwe methode ontwikkeld voor het detecteren van magnetische golven op de sub-micrometerschaal.

NV-centrum
Het MRI-systeem van de Delftse onderzoekers maakt gebruik van een specifiek roosterdefect in de kristalstructuur van diamant. Dit defect – het ‘stikstof-gat-centrum’ (NV centrum) - bestaat uit een stikstofatoom dat naast een lege plek in het koolstofrooster van diamant zit.  “Zo'n 'NV-centrum' is in wezen een magneetje ter grootte van een atoom dat extreem gevoelig is voor magnetische velden”, legt onderzoeker Toeno van der Sar van de TU Delft uit. “NV-centra maken dus hoge-resolutie beeldvorming van de magnetische structuur van een sample mogelijk.” 

Opgewekte spingolven
Spingolven zijn golven in magnetische materialen die een belangrijke rol spelen in het gedrag van magneten. Ze zijn veelbelovend als informatiedragers, omdat ze weinig warmte produceren. Hun golfkarakter maakt het daarnaast mogelijk om logische schakelingen te bouwen die computertaken uitvoeren met behulp van golf-interferentie.

Het kunnen zien van de golven is cruciaal voor het ontwerpen van dit soort spingolfapparaten "Om deze golven in beeld te brengen hebben we een diamanten chip gebruikt waarin we een laag van NV-centra hebben gemaakt", zegt Van der Sar. "We hebben deze chip boven op een dunne magnetische film geplaatst waarin we met behulp van elektroden en microgolfstromen spingolven hebben opgewekt. De NV-centra pikken de magnetische velden op die door de spingolven worden opgewekt, waardoor het mogelijk wordt om hoge resolutie spin-golfbeelden te maken."

De onderzoekers hebben aangetoond dat spingolf-MRI het mogelijk maakt om spin-golven af te beelden door ondoorzichtige materialen, zoals de metalen bedrading op een chip. Bovendien heeft de techniek de gevoeligheid om spingolven te detecteren in magneten die slechts een enkel atoom dik zijn. Van der Sar: “Er is momenteel veel onderzoek om ultradunne magneten te gebruiken voor het maken van logische schakelingen op de kleinste schaal. Deze beeldvormingstechniek zal die ontwikkeling helpen.”