اندازه‌گيرى رزونانس مغناطيسى هسته در مقياس نانو
دو گروه مستقل از فيزيک‌دانان يکى در ايالات متحده امريکا و ديگرى در آلمان، براى اولين بار ميدان‌هاى مغناطيسى نانومقياس را در دماى اتاق اندازه‌گيرى کرده‌اند. هر دو روش بر پايه رفتار کاستى‌هاى محل خالى نيتروژن و الماس عمل کرده و در هر دو روش سيگنال‌هاى مغناطيسى ساطع‌شده از تک‌الکترون‌ها و هسته‌هاى اتمى را که در مجاورت آن قرار گرفته‌اند، احساس مىشود.
توانايى تشخيص اين ميدان‌هاى مغناطيسى بسيار کوچک تحت شرايط بسيار محدود، راهى به‌سوى کاربردهايى در زيست‌شناسى، علم مواد، اسپينترونيک و اطلاعات کوانتمى مى‌گشايد.
اين روش جديد بر پايه رزونانس مغناطيسى هسته(NMR) و تصويرسازى رزونانس مغناطيسى(MRI) بنا شده‌است و عموماً براى تصويرسازى از درون بدن انسان استفاده مىشود.
NMR و MRI به وسيله روش فعاليت مغناطيسى از ميليون‌ها اسپين هسته کار مى‌کند؛ اما به‌دليل نياز به اين تعداد زياد از اسپين‌ها، رزونانس مغناطيسى هسته براى ساختارهاى بسيار کوچک قابل استفاده نيست. ميخائيل لوکين از دانشگاه هاروارد و همکارانش و فيدور جلزکر از دانشگاه اشتودگارت و ديگر همکارانش يک روش جديدى را که در آن از يک تک اسپين وابسته به يک جريان خالص در الماس با نام مرکز محل خالى نيتروژن، ارائه داده‌اند تا با اين روش ميدان‌هاى مغناطيسى در مقياس نانو تشخيص داده شود. تک اسپين به‌عنوان يک پروب مغناطيسى بسيار حساس که قابليت جاى‌گزيده شدن درون مکانى را دارد که حدود چند نانومتر باشد
چگونگى احساس حضور ميدان مغناطيسى:
اسپين پروب مى‌تواند حضور هرگونه ميدان مغناطيسى ايجادشده به‌وسيله الکترون‌ها يا هسته‌هاى مجاور را احساس کند که اين امر باعث يک جابه‌جايى در فرکانس رزونانس اسپين الکترون مىشود. اين جابجايى را به‌عنوان مثال مى‌توان با استفاده از نمايش جابه‌جايى رزونانس اسپين يا يک ميدان ميکروويو و اثر اين تغيير در فوتولمينوسنس مربوط به اسپين پروب تشخيص داد. اضافه بر اين بر اساس زمان آرامش فوق طولانى در محل خالى نيتروژن اسپين‌هاى الکترون در الماس(از مرتبه ميلى‌ثانيه)، تصويرسازى رزونانس مغناطيسى از تک اسپين تحت شرايط محدود امکان‌پذير است. تا به حال براى پايدارسازى اسپين‌ها در مواد ديگر به دماهاى پايين احتياج بوده‌است.
گروه تحقيقاتى وابسته به لوکين برنامه‌اى را تهيه ديده‌اند که با استفاده از روش آنها ميدان‌هاى مغناطيسى در حدود (nT)3 نانوتسلا در فرکانس‌هاى از مرتبه کيلوهرتز را تشخيص دهد. اين ميدان‌ها معادل ميدان‌هاى نمايش داده‌شده از تک الکترون در حدود100 نانومتر و يا يک تک پروتون در حدود 10 نانومتر است، همچنين گروه جلزکر موفق به استفاده از چنين مگنتومترى براى دستيابى به اولين تصوير روبش‌شده از يک نمونه شدند؛ به‌عنوان مثال، محققان موفق به مشخص کردن مکان مرکز محل خالى نيتروژن با وضوح مغناطيسى در حدود 5 نانومتر شدند.
استفاده از MRI در مقياس نانو:
يکى از کاربردهاى مهم براى پروب محل خالى نيتروژن در تصويرسازى، رزونانس مغناطيسى(MRI) با قدرت تفکيکى در مقياس نانو است. در حقيقت MRI با حساسيت تک اسپين باعث پيشرفتى عظيم در بالا بردن قدرت تفکيکى در سطح نانومتر و يا حتى آنگستروم شده‌است. بنابراين چسبيدن يک تک نانوبلور که شامل يک کاستى محل خالى نيتروژن است به مولکول‌هاى زيستى، اين امکان را به ما مى دهد که ساختار تک پروتئين و يا مولکول‌هاى DNA را بررسى کنيم. کاربردهاى ديگر براى حسگرها شامل تشخيص اسپين تک الکترون‌هاى هسته در مولکول‌هاى پيچيده زيست‌شناختى و به‌عنوان مرورگر مغناطيسى کوانتمى براى آدرس دادن و خواندن بيت‌هاى کوانتمى از اطلاعات کدبندى‌شده در يک الکترون و يا حافظه اسپين هسته هستند.
دو گروه مستقل از فيزيک‌دانان يکى در ايالات متحده امريکا و ديگرى در آلمان، براى اولين بار ميدان‌هاى مغناطيسى نانومقياس را در دماى اتاق اندازه‌گيرى کرده‌اند. هر دو روش بر پايه رفتار کاستى‌هاى محل خالى نيتروژن و الماس عمل کرده و در هر دو روش سيگنال‌هاى مغناطيسى ساطع‌شده از تک‌الکترون‌ها و هسته‌هاى اتمى را که در مجاورت آن قرار گرفته‌اند، احساس مىشود.
توانايى تشخيص اين ميدان‌هاى مغناطيسى بسيار کوچک تحت شرايط بسيار محدود، راهى به‌سوى کاربردهايى در زيست‌شناسى، علم مواد، اسپينترونيک و اطلاعات کوانتمى مى‌گشايد.
اين روش جديد بر پايه رزونانس مغناطيسى هسته(NMR) و تصويرسازى رزونانس مغناطيسى(MRI) بنا شده‌است و عموماً براى تصويرسازى از درون بدن انسان استفاده مىشود.
NMR و MRI به وسيله روش فعاليت مغناطيسى از ميليون‌ها اسپين هسته کار مى‌کند؛ اما به‌دليل نياز به اين تعداد زياد از اسپين‌ها، رزونانس مغناطيسى هسته براى ساختارهاى بسيار کوچک قابل استفاده نيست. ميخائيل لوکين از دانشگاه هاروارد و همکارانش و فيدور جلزکر از دانشگاه اشتودگارت و ديگر همکارانش يک روش جديدى را که در آن از يک تک اسپين وابسته به يک جريان خالص در الماس با نام مرکز محل خالى نيتروژن، ارائه داده‌اند تا با اين روش ميدان‌هاى مغناطيسى در مقياس نانو تشخيص داده شود. تک اسپين به‌عنوان يک پروب مغناطيسى بسيار حساس که قابليت جاى‌گزيده شدن درون مکانى را دارد که حدود چند نانومتر باشد
چگونگى احساس حضور ميدان مغناطيسى:
اسپين پروب مى‌تواند حضور هرگونه ميدان مغناطيسى ايجادشده به‌وسيله الکترون‌ها يا هسته‌هاى مجاور را احساس کند که اين امر باعث يک جابه‌جايى در فرکانس رزونانس اسپين الکترون مىشود. اين جابجايى را به‌عنوان مثال مى‌توان با استفاده از نمايش جابه‌جايى رزونانس اسپين يا يک ميدان ميکروويو و اثر اين تغيير در فوتولمينوسنس مربوط به اسپين پروب تشخيص داد. اضافه بر اين بر اساس زمان آرامش فوق طولانى در محل خالى نيتروژن اسپين‌هاى الکترون در الماس(از مرتبه ميلى‌ثانيه)، تصويرسازى رزونانس مغناطيسى از تک اسپين تحت شرايط محدود امکان‌پذير است. تا به حال براى پايدارسازى اسپين‌ها در مواد ديگر به دماهاى پايين احتياج بوده‌است.
گروه تحقيقاتى وابسته به لوکين برنامه‌اى را تهيه ديده‌اند که با استفاده از روش آنها ميدان‌هاى مغناطيسى در حدود (nT)3 نانوتسلا در فرکانس‌هاى از مرتبه کيلوهرتز را تشخيص دهد. اين ميدان‌ها معادل ميدان‌هاى نمايش داده‌شده از تک الکترون در حدود100 نانومتر و يا يک تک پروتون در حدود 10 نانومتر است، همچنين گروه جلزکر موفق به استفاده از چنين مگنتومترى براى دستيابى به اولين تصوير روبش‌شده از يک نمونه شدند؛ به‌عنوان مثال، محققان موفق به مشخص کردن مکان مرکز محل خالى نيتروژن با وضوح مغناطيسى در حدود 5 نانومتر شدند.
استفاده از MRI در مقياس نانو:
يکى از کاربردهاى مهم براى پروب محل خالى نيتروژن در تصويرسازى، رزونانس مغناطيسى(MRI) با قدرت تفکيکى در مقياس نانو است. در حقيقت MRI با حساسيت تک اسپين باعث پيشرفتى عظيم در بالا بردن قدرت تفکيکى در سطح نانومتر و يا حتى آنگستروم شده‌است. بنابراين چسبيدن يک تک نانوبلور که شامل يک کاستى محل خالى نيتروژن است به مولکول‌هاى زيستى، اين امکان را به ما مى دهد که ساختار تک پروتئين و يا مولکول‌هاى DNA را بررسى کنيم. کاربردهاى ديگر براى حسگرها شامل تشخيص اسپين تک الکترون‌هاى هسته در مولکول‌هاى پيچيده زيست‌شناختى و به‌عنوان مرورگر مغناطيسى کوانتمى براى آدرس دادن و خواندن بيت‌هاى کوانتمى از اطلاعات کدبندى‌شده در يک الکترون و يا حافظه اسپين هسته هستند.