Imaginez essayer de comprendre la cacophonie d'un haut-parleur jouant quatre chansons à la fois, et vous avez une idée du défi relevé par Jenny Schloss et Matt Turner.

Dans leur quête pour construire un outil qui utilise des centres NV - des impuretés à l'échelle atomique dans les diamants - pour détecter les champs magnétiques dans tout, des neurones de déclenchement aux systèmes de matière condensée, la paire de Ph.D. des candidats de la Graduate School of Arts and Sciences ont développé une méthode capable de détecter simultanément des champs magnétiques dans différentes directions. Schloss et Turner ont travaillé avec le postdoctorant John Barry (maintenant chercheur au MIT Lincoln Laboratory) dans le laboratoire de Ronald Walsworth, membre du corps professoral du Center for Brain Science de Harvard et du Département de physique.

Schloss, Tourneur, et Barry a bombardé un minuscule, Plaquette de diamant de 4 millimètres carrés avec quatre signaux micro-ondes différents, dont chacun a été réglé pour surveiller une orientation NV spécifique et tramé selon un modèle de modulation de fréquence (FM) unique. Les chercheurs ont ensuite pu mesurer simultanément comment chaque orientation NV répondait aux différentes directions d'un champ magnétique, presque comme s'ils écoutaient quatre stations de radio FM à la fois. Le travail est décrit dans un nouvel article publié dans Examen physique appliqué .

Les chercheurs ont déclaré que le nouvel outil représente une nette amélioration par rapport aux techniques antérieures, ce qui a obligé les chercheurs à passer par le processus fastidieux de commutation séquentielle entre les fréquences micro-ondes pour surveiller la réponse de centres NV orientés différemment.

"Mais avec cette nouvelle méthode, nous pouvons tous les faire en même temps, " a déclaré Turner. " À l'ancienne, c'était bien pour les processus qui étaient lents. Mais pour les choses rapides comme les champs biomagnétiques produits par le déclenchement des neurones, nous devons faire mieux que cela, ou nous pourrions passer à côté de certaines informations."

"Nous collectons donc ce flux constant de données du diamant à mesure que le champ magnétique change, " a ajouté Schloss. " Et nous pouvons le traiter plus rapidement que nous ne le récupérons, afin que nous puissions détecter la direction et l'amplitude du champ magnétique dynamique en temps réel."

L'outil s'appuie sur les travaux antérieurs de Schloss, Tourneur, Barry, et d'autres, qui a utilisé des centres NV dans des diamants pour détecter des signaux neuronaux chez des vers marins.

"C'était une grande preuve de principe. Mais un outil de neurosciences largement utile devrait être compatible avec les neurones de mammifères, " a déclaré Schloss. "Mais c'est un défi parce qu'un réseau de neurones en feu produit des champs magnétiques orientés dans toutes les directions. Cette technique résout ce problème pour la détection magnétique des neurones et d'autres applications futures."

L'une des raisons pour lesquelles les centres NV sont idéaux pour cette tâche, Schloss et Turner ont dit, a à voir avec la façon dont ils sont disposés dans le réseau de diamants.

"Si tu prends un diamant, vous obtenez un centre NV lorsque vous remplacez un atome de carbone par un atome d'azote et un carbone adjacent par une lacune, " dit Schloss. " Dans le treillis, chaque atome est connecté à quatre autres atomes, il y a donc quatre orientations NV possibles, et chaque orientation est la plus sensible aux champs magnétiques pointant dans cette direction. Donc, en utilisant les quatre types de NV, vous pouvez déterminer dans quelle direction pointe le champ magnétique."

Mesurer le champ magnétique détecté par ces centres NV orientés différemment est plus facile à dire qu'à faire. Le nouveau système consiste à placer une plaquette de diamant dans un champ magnétique généré en laboratoire, puis à faire briller un laser dessus, provoquant la fluorescence du matériau. Comme les centres NV réagissent aux changements du champ magnétique ainsi qu'au modèle de signal micro-ondes FM spécial, la luminosité de la fluorescence NV change d'une manière distincte. En suivant ces changements, les chercheurs peuvent créer une image 3-D du champ magnétique.

"Le champ statique est ce qui interagit avec les différentes orientations NV, " a déclaré Turner. " Et pendant que nous démodulons ce signal micro-ondes, nous pouvons détecter le signal de chacun d'eux."

"C'est l'innovation :utiliser quatre tonalités micro-ondes FM à la fois, " a ajouté Schloss. " Maintenant, nous pouvons mesurer simultanément les quatre orientations NV à la fois et déterminer le champ magnétique plus rapidement qu'auparavant, comme écouter quatre stations de radio FM à la fois et avoir tout un sens."

Bien que la technologie n'ait pas encore été démontrée avec des neurones de mammifères, Schloss a dit, l'étude est une preuve de concept importante pour un outil qui pourrait un jour avoir de larges utilisations.

"Ce que nous aimons à ce sujet, c'est que c'est largement applicable, et ce n'est vraiment qu'une mise à niveau expérimentale mineure par rapport à ce que les gens font déjà, " dit-elle. " Nous nous attendons à ce que cela puisse être adopté très largement en biologie, en physique de la matière condensée, et ailleurs."

Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de la Harvard Gazette, Journal officiel de l'Université de Harvard. Pour des nouvelles universitaires supplémentaires, visitez Harvard.edu.