Des physiciens de l'Université de Bâle et de l'Institut suisse des nanosciences ont pu montrer pour la première fois que les spins nucléaires de molécules individuelles peuvent être détectés à l'aide de particules magnétiques à température ambiante. Dans Nature Nanotechnologie , les chercheurs décrivent une nouvelle configuration expérimentale avec laquelle les minuscules champs magnétiques des spins nucléaires de biomolécules uniques - indétectables jusqu'à présent - pourraient être enregistrés pour la première fois. Le concept proposé permettrait d'améliorer les diagnostics médicaux ainsi que les analyses d'échantillons biologiques et chimiques dans une étape décisive.
La mesure des spins nucléaires est désormais routinière en diagnostic médical (IRM). Cependant, les dispositifs actuellement existants nécessitent des milliards d'atomes pour l'analyse et ne sont donc pas utiles pour de nombreuses applications à petite échelle. Pendant de nombreuses décennies, les scientifiques du monde entier se sont ainsi engagés dans une recherche intense de méthodes alternatives, ce qui améliorerait la sensibilité des techniques de mesure.
A l'aide de différents types de capteurs (SQUID et Hall) et de microscopes à résonance magnétique, il est devenu possible de détecter des spins d'électrons isolés et d'atteindre une résolution structurelle à l'échelle nanométrique. Cependant, la détection de spins nucléaires uniques d'échantillons biologiques complexes - le Saint Graal sur le terrain - n'a pas été possible jusqu'à présent.
Cristaux de diamant avec de minuscules défauts
Les chercheurs de Bâle étudient maintenant l'application de capteurs fabriqués à partir de diamants qui hébergent de minuscules défauts dans leur structure cristalline. Dans le réseau cristallin du diamant, un atome de carbone est remplacé par un atome d'azote, avec un terrain vacant à côté. Ces centres dits Nitrogen-Vacancy (NV) génèrent des spins, parfaitement adaptés à la détection de champs magnétiques. À température ambiante, les chercheurs ont montré expérimentalement dans de nombreux laboratoires qu'avec de tels centres NV, la résolution de molécules uniques est possible. Cependant, cela nécessite des distances atomistiquement proches entre le capteur et l'échantillon, ce qui n'est pas possible pour le matériel biologique.
Une minuscule particule ferromagnétique, placé entre l'échantillon et le centre NV, peut résoudre ce problème. En effet, si le spin nucléaire de l'échantillon est entraîné à une fréquence de résonance spécifique, la résonance de la particule ferromagnétique change. A l'aide d'un centre NV à proximité immédiate de la particule magnétique, les scientifiques peuvent alors détecter cette résonance modifiée.
Percée de la technologie de mesure?
L'analyse théorique et les techniques expérimentales des chercheurs des équipes du Pr Daniel Loss et du Pr Patrick Maletinsky ont montré que l'utilisation de telles particules ferromagnétiques peut conduire à une amplification de dix mille fois le champ magnétique des spins nucléaires. « Je suis convaincu que notre concept sera bientôt mis en œuvre dans des systèmes réels et conduira à une percée en métrologie, " commente Daniel Loss la récente publication, où le premier auteur Dr. Luka Trifunovic, postdoc dans l'équipe Loss, apporté des contributions essentielles et qui a été réalisée en collaboration avec des collègues du JARA Institute for Quantum Information (Aix-la-Chapelle, Allemagne) et l'Université Harvard (Cambridge).
