La résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil scientifique puissant utilisé en imagerie médicale et pour sonder la structure chimique des molécules et des composés. Une nouvelle recherche de l'Université Brown montre une technique qui permet d'adapter la RMN pour étudier les propriétés physiques des films minces, nanomatériaux bidimensionnels et états exotiques de la matière.

La RMN consiste à appliquer un champ magnétique puissant à l'échantillon, puis à le zapper avec des impulsions d'ondes radio. Le champ magnétique aligne les moments magnétiques, ou "tourne, " des noyaux atomiques dans l'échantillon. Les ondes radio inverseront les spins de certains noyaux dans la direction opposée, en fonction de la fréquence des ondes. Les scientifiques peuvent utiliser le signal associé aux retournements de spin à différentes fréquences pour créer des images ou déterminer la structure moléculaire d'un échantillon.

"La RMN est une technique très utile, mais le signal que vous obtenez est très faible, " a déclaré Vesna Mitrovic, un professeur agrégé de physique et l'auteur principal de la recherche, qui est publié dans Examen des instruments scientifiques . "Pour obtenir un signal utilisable, vous devez détecter beaucoup de tours, ce qui signifie que vous avez besoin de beaucoup de matériel, relativement parlant. Une grande partie du travail que nous réalisons actuellement en physique concerne des films minces qui font partie de petits appareils ou des matériaux qui ont de minuscules cristaux avec des formes étranges, et il est vraiment difficile d'obtenir un signal RMN dans ces cas."

Une partie du problème tient à la géométrie de la sonde utilisée pour délivrer les impulsions radio et détecter le signal associé. C'est généralement un solénoïde, une bobine cylindrique de fil à l'intérieur de laquelle l'échantillon est placé. Le signal RMN est le plus fort lorsqu'un échantillon occupe la plus grande partie de l'espace disponible à l'intérieur du cylindre. Mais si l'échantillon est petit par rapport au volume du cylindre, comme le seraient les films minces et les nanomatériaux, le signal s'affaiblit à presque rien.

Mais depuis quelques années, Le laboratoire de Mitrovic à Brown a utilisé des bobines RMN plates pour diverses expériences visant à explorer des matériaux exotiques et des états étranges de la matière. Les bobines plates peuvent être placées directement sur ou très près d'un échantillon, et par conséquent, ils ne souffrent pas de la perte de signal d'un solénoïde. Ces types de bobines RMN existent depuis des années et sont utilisés pour certaines applications spécifiques en imagerie RMN, Mitrovic dit, mais ils n'ont pas été utilisés de la même manière que son laboratoire les utilise.

Pour cette dernière recherche, Mitrovic et ses collègues ont montré que les bobines plates ne sont pas seulement utiles pour amplifier le signal RMN, mais que différentes géométries de bobines plates peuvent maximiser le signal pour des échantillons de différentes formes et dans différents types d'expériences.

Par exemple, dans des expériences utilisant des couches minces du phosphate d'indium semi-conducteur, les chercheurs ont montré que de très petits échantillons produisent le plus de signal lorsqu'ils sont placés au centre d'un plat, bobine circulaire. Pour des échantillons plus grands, et pour les expériences dans lesquelles il est important de faire varier l'orientation du champ magnétique externe, une forme en méandre (une ligne qui fait une série de virages à angle droit) a mieux fonctionné.

La capacité d'obtenir un signal à différentes orientations de champ magnétique est importante, dit Mitrovic. "Il existe des matériaux exotiques et des états physiques intéressants qui ne peuvent être sondés qu'avec certaines orientations de champ magnétique, " dit-elle. " Donc, savoir comment optimiser notre sonde pour cela est vraiment utile. "

Un autre avantage des bobines plates est qu'elles permettent aux expérimentateurs d'accéder à leur échantillon, par opposition à l'avoir mis en cage à l'intérieur d'un solénoïde.

"Beaucoup des états qui nous intéressent sont induits par la manipulation de l'échantillon, en lui appliquant un courant électrique ou en lui appliquant une contrainte, " a déclaré Mitrovic. " Les bobines plates facilitent beaucoup les manipulations. "

Mitrovic espère que les conseils fournis par cette recherche sur la façon d'optimiser les bobines plates seront utiles à d'autres physiciens intéressés par l'utilisation de la RMN pour étudier des matériaux exotiques et des états de la matière.