Une sonde quantique à vide d'azote (bleu foncé) en diamant (gris clair) effectuant une résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'échelle nanométrique sur l'hydrogène moléculaire posé sur la surface du diamant. Un laser vert contrôle l'état quantique de la sonde, qui est accordé à la fréquence de résonance des spins nucléaires cibles. La sonde répond aux spins nucléaires des atomes d'hydrogène et fournit une mesure directe via la lumière rouge émise. Crédit :David A. Broadway/cqc2t.org
Des chercheurs de l'Université de Melbourne ont démontré un moyen de détecter les spins nucléaires dans les molécules de manière non invasive, fournissant un nouvel outil pour la biotechnologie et la science des matériaux.
Des recherches importantes en médecine et en biologie reposent sur la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN), mais jusqu'à maintenant, sa résolution spatiale est limitée et nécessite généralement de puissants champs de micro-ondes. Une équipe dirigée par le professeur Lloyd Hollenberg de l'Université de Melbourne a utilisé une sonde quantique pour effectuer une RMN sans micro-ondes à l'échelle nanométrique. Les résultats ont été publiés aujourd'hui dans Communication Nature .
"Cette sonde quantique offre une amélioration spectaculaire de la technologie RMN. En plus d'être capable de détecter la RMN dans des échantillons beaucoup plus petits que les machines conventionnelles, notre technique ne nécessite pas l'application de champs de micro-ondes qui pourraient perturber les échantillons biologiques », a déclaré Hollenberg, qui est directeur adjoint du Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T) et Thomas Baker Chair à l'Université de Melbourne.
"En RMN, le but est de détecter le signal magnétique des noyaux des atomes comprenant des molécules. Mais le signal du "spin" nucléaire est très faible et les machines RMN conventionnelles nécessitent plusieurs millions de spins nucléaires pour détecter quoi que ce soit. Cependant, en utilisant les propriétés quantiques d'un « défaut » du diamant, notre technique peut détecter des volumes beaucoup plus petits jusqu'à seulement des milliers de tours."
La découverte peut surmonter des limitations importantes avec les méthodes conventionnelles de RMN, qui dépendent de machines pouvant dépasser 10 tonnes.
"Le problème avec les grandes machines RMN largement utilisées aujourd'hui est que les signaux que nous essayons de détecter sont extrêmement faibles, et la distance entre l'appareil de mesure et l'objet mesuré est très grande, " a déclaré le Dr Alastair Stacey, un chercheur postdoctoral du CQC2T.
« Cela crée deux problèmes :la machine ne peut voir qu'une plus grande collection de molécules, réduire la précision de la mesure. Il doit également utiliser des micro-ondes et des champs magnétiques très puissants pour atteindre l'échantillon, mais ces processus sont invasifs et peuvent affecter les bio-échantillons délicats, tout comme le micro-ondes de votre cuisine, en particulier lorsqu'on essaie de voir la structure moléculaire des liquides."
L'auteur principal James Wood décrit la technique comme « une simplification spectaculaire du processus de détection nucléaire, où nous éclairons essentiellement un défaut de taille atomique dans le diamant et observons sa réponse naturelle, à un niveau fondamentalement quantique, aux spins nucléaires cibles à proximité".
"Un grand avantage de notre approche est que nous n'interférons pas avec l'échantillon lors de l'imagerie."
La technique offre de nouvelles opportunités aux chercheurs.
« Avec ces avancées dans la technologie de détection quantique, nous ouvrons la porte à un nouveau monde d'investigation scientifique qui pourrait nous amener à mieux comprendre les plus petits éléments constitutifs de la vie, " dit Hollenberg.
