Pour la première fois, un chercheur de l'Université de Waterloo a démontré théoriquement qu'il est possible de détecter un seul spin nucléaire à température ambiante, qui pourrait ouvrir la voie à de nouvelles approches du diagnostic médical.

Publié dans la revue Nature Nanotechnologie cette semaine, Amir Yacoby de l'Université de Waterloo, avec des collègues de l'Université de Bâle et de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle, proposer un schéma théorique qui pourrait conduire à une meilleure imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN) des matériaux biologiques dans un avenir proche en utilisant des champs magnétiques faibles.

La mesure du spin est courante dans les appareils d'imagerie actuels tels que l'imagerie par résonance magnétique, car le spin nucléaire génère des champs magnétiques. Cependant, les champs magnétiques faibles tels que ceux au niveau atomique sont difficiles à détecter avec la technologie actuelle. Ajoutez du bruit dans le champ et la détection est plus difficile. Encore, selon le nouveau journal, lorsqu'un aimant est placé dans le mélange, la détection peut être réalisée avec des champs faibles.

"Il y a un grand intérêt à mesurer les signatures de champs magnétiques faibles, " dit Yacoby, Distinguished Research Chair in Condensed Matter au Département de physique et d'astronomie et membre associé de l'Institute for Quantum Computing de l'Université de Waterloo. "Notre proposition pourrait conduire à une meilleure imagerie pour la résonance magnétique nucléaire (RMN) à l'échelle nanométrique sur du matériel biologique dans des conditions bruyantes."

Pensez à une personne lourde assise sur une balançoire. Une personne très forte pourrait pousser la balançoire. Il est également possible pour un plus petit, personne plus faible pour déplacer la balançoire périodiquement avec moins de force car chaque poussée entraîne un mouvement plus important. C'est ainsi que nous nous balançons - même avec une source faible, il est possible d'obtenir éventuellement une réponse importante.

Yacoby et ses collègues émettent l'hypothèse qu'en plaçant une minuscule particule ferromagnétique entre un magnétomètre à bit quantique à vide d'azote (qubit) et la source - le spin nucléaire - la sensibilité du magnétomètre est améliorée. Les spins électroniques fortement corrélés dans l'aimant et leur excitation collective peuvent être utilisés pour améliorer le signal faible de la source. La modulation de la source résonnera lentement avec l'aimant et commencera à développer sa force, tout comme la balançoire. Un magnétomètre qubit peut alors lire la plus grande réponse de l'aimant.

Agissant comme un amplificateur, la particule ferromagnétique peut détecter un seul spin à une distance de 30 nanomètres (nm) à température ambiante. Les tentatives précédentes sans aimant nécessitaient de placer le détecteur à une distance impossible de la source, juste 1-2 nm. L'ajout de la particule magnétique permet au capteur d'être plus éloigné du système, diminuant le risque que le capteur le détruise, et pourtant encore capable de détecter un signal mesurable.

L'article analyse théoriquement la faisabilité du schéma entièrement classique. Conceptuellement, la proposition est assez simple mais, alors que la mise en œuvre a ses défis, les recherches pensent qu'il est beaucoup moins fragile qu'un schéma quantique. Ces résultats, en combinaison avec les autres recherches de Yacoby sur l'amélioration de la résolution, pourrait voir une imagerie RMN améliorée des matériaux biologiques dans un avenir proche.