Les chercheurs de QuTech, une collaboration de TU Delft et TNO, ont développé une nouvelle technologie de détection quantique magnétique qui peut imager des échantillons avec une résolution à l'échelle atomique. Il ouvre la porte à l'imagerie de molécules individuelles, comme les protéines et autres systèmes complexes, atome par atome. L'équipe rend compte de ses résultats en La nature le 18 décembre.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) et la résonance magnétique nucléaire (RMN) sont des méthodes puissantes et largement utilisées en science des matériaux, la biologie, chimie et médecine. De nombreux noyaux atomiques ont une propriété appelée spin. Les noyaux atomiques se comportent comme de petits aimants qui génèrent de minuscules champs magnétiques, qui peut être détecté à l'aide d'antennes.

L'imagerie magnétique est non invasive, peut distinguer différents types d'atomes, et fonctionne dans un large éventail de conditions, y compris à température ambiante. Mais les méthodes actuelles se limitent à faire la moyenne sur de grands volumes avec de grandes quantités d'atomes, et l'imagerie de molécules individuelles ou de structures à l'échelle nanométrique n'est pas possible. Les chercheurs de QuTech ont maintenant fait un progrès important pour surmonter cette limitation.

Capteurs quantiques

"Notre travail s'appuie sur le centre de vacance d'azote (NV), " a déclaré le premier auteur Mohamed Abobeih. " Ce centre NV se produit naturellement dans le diamant :deux atomes de carbone sont remplacés par un seul atome d'azote. Le centre piège un seul spin électronique qui peut fonctionner comme un capteur de taille atomique. En manipulant précisément cet électron, nous pouvons capter de manière sélective les minuscules champs magnétiques créés par les noyaux à proximité."

"Chez QuTech, nous utilisons généralement ces centres NV comme bits quantiques, les éléments constitutifs des futurs ordinateurs quantiques et de l'Internet quantique. Mais les mêmes propriétés qui font des centres NV de bons bits quantiques, en font aussi de bons capteurs quantiques, " a déclaré Tim Taminiau, enquêteur principal.

Imagerie 3D

Taminiau a expliqué que son équipe s'est appuyée sur des recherches antérieures en observant des spins nucléaires bien isolés. "Ces études antérieures ont indiqué que le centre NV est suffisamment sensible pour résoudre les minuscules signaux des noyaux individuels. Mais pour l'imagerie d'échantillons complexes tels que des molécules, il ne suffit pas de détecter les spins nucléaires, " explique Taminiau. " Il faut déterminer précisément la position de chaque spin dans l'échantillon, et c'est ce que nous avons décidé de faire."

"Nous avons développé une méthode pour obtenir la structure 3-D de systèmes de spins complexes, " a déclaré le co-auteur Joe Randall. "Chaque spin nucléaire ressent le champ magnétique de tous les autres spins nucléaires. Ces interactions dépendent des positions précises des atomes et codent donc la structure spatiale. Par exemple, deux atomes plus proches l'un de l'autre ont tendance à interagir plus fortement. Nous avons développé des méthodes pour mesurer avec précision ces interactions et les transformer en une image 3D complète avec une résolution atomique."

Résolution à l'échelle atomique

Pour tester leur méthode, les chercheurs l'ont appliqué à un amas de 27 atomes de carbone-13 dans un diamant très pur. Ce groupe de spins fournit un système modèle pour une molécule. Après avoir mesuré plus de 150 interactions entre les noyaux et exécuté un algorithme de reconstruction numérique intense, la structure 3-D complète a été obtenue avec une précision spatiale bien inférieure à la taille d'un atome.

Sensation en dehors du diamant

L'étape suivante consiste à détecter des échantillons à l'extérieur du diamant en rapprochant les centres NV de la surface. Le but ultime est de pouvoir imager des molécules individuelles, comme les protéines, et des dispositifs quantiques simples à résolution atomique.

La parution en La nature est une collaboration de QuTech et Element Six, qui a fait pousser les diamants ultrapurs utilisés dans la recherche.