La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) est l'une des méthodes les plus importantes d'analyse physico-chimique. Il peut être utilisé pour déterminer des structures et des dynamiques moléculaires précises. L'importance de cette méthode est également attestée par la reconnaissance des deux derniers lauréats du prix Nobel de l'ETH Zurich, Richard Ernst et Kurt Wüthrich, pour leur contribution à l'affinement de la méthode.

La technique est basée sur la résonance magnétique nucléaire, qui profite du fait que certains noyaux atomiques interagissent avec un champ magnétique. Un facteur clé ici est le spin nucléaire, qui peut être comparé à la rotation d'une toupie d'enfant. Semblable à un haut qui commence à vaciller, un phénomène appelé précession, les spins nucléaires qui sont exposés à un champ magnétique commencent à précéder. Cela génère un signal électromagnétique qui peut être mesuré à l'aide d'une bobine d'induction.

Plus haute résolution

Une équipe de chercheurs dirigée par Christian Degen, Professeur de physique des solides à l'ETH Zurich, a développé une nouvelle approche, permettant de suivre directement la précession de spins nucléaires uniques. En comparaison, les mesures RMN conventionnelles nécessitent généralement au moins 10 ¹² à 10 ¹⁸ noyaux atomiques afin d'enregistrer un signal de mesure.

Dans leur projet, les chercheurs de l'ETH ont analysé le comportement des atomes de carbone-13 dans les diamants. Plutôt que d'utiliser des méthodes conventionnelles pour mesurer la précession du noyau de carbone, ils ont utilisé le spin d'un électron adjacent dans un centre N-V - une imperfection dans le réseau cristallin du diamant - comme capteur. Kristian Cujia, doctorant dans le groupe Degen, résume ainsi le principe :« Nous utilisons un deuxième système quantique pour étudier le comportement du premier système quantique. De cette façon, nous avons créé un moyen de mesure très sensible."

Potentiel d'applications futures

Les systèmes quantiques sont difficiles à cerner, car toute mesure influencera également le système observé. Par conséquent, les chercheurs n'ont pas pu suivre la précession en continu; son mouvement aurait été trop radicalement modifié. Pour résoudre ce problème, ils ont développé une méthode de mesure spéciale pour capturer le spin de l'atome de carbone à travers une série de mesures faibles en succession rapide. Par conséquent, ils ont pu garder l'influence de leur observation si petite qu'elle n'influence pas le système de manière mesurable, laissant le mouvement circulaire d'origine perceptible.

« Notre méthode ouvre la voie à des avancées remarquables dans la technologie RMN, " explique Degen. " Cela nous permet potentiellement d'enregistrer directement les spectres de molécules individuelles et d'analyser les structures au niveau atomique. " Comme premier exemple, les physiciens ont identifié la position tridimensionnelle des noyaux de carbone dans le réseau de diamants avec une résolution atomique. Les physiciens voient un énorme potentiel dans ce développement. De telles mesures RMN détaillées pourraient conduire à des informations complètement nouvelles dans de nombreux domaines, comme cela a déjà été le cas avec la spectroscopie RMN conventionnelle au cours des dernières décennies."

L'étude est publiée dans La nature .