Две независимые команды ученых-физиков из США и Германии смогли измерить магнитное поле в наноразмерном диапазоне длин при комнатной температуре. Необходимо сказать, что это первое мировое достижение в области ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) при комнатной температуре.

Оба исследования основаны на использовании дефектов в составе алмазов – «вакантных мест для азота», способных чувствовать магнитные сигналы от отдельных электронов и атомных ядер, размещенных в непосредственной близости от них.

Не нужно говорить о том, насколько важны установки, способные проводить ЯМР-исследования в наноразмерном диапазоне длин при комнатной температуре. Биология и материаловедение получит высокоточный инструмент, способный раскрыть самые глубокие тайны «молекулярной кухни». Нано-ЯМР также будет очень полезен в спинтронике и при исследовании квантовых систем на основе кубитов.

Явление магнитного резонанса используется достаточно давно для обнаружения и измерения электрических и магнитных взаимодействий электронов и ядер в макроскопических количествах вещества. Это явление обусловлено парамагнитной ориентацией электронного и ядерного токов внешним полем и их ларморовской прецессией относительно направления внешнего поля. Частота ларморовской прецессии пропорциональна напряженности магнитного поля, приложенного в области нахождения прецессирующего электрона или ядра.

Когда соседние частицы дают вклад в локальное магнитное поле, он измеряется по сдвигу частоты прецессии. Дополнительный сдвиг частоты прецессии может произойти также за счет неоднородных электрических полей, создаваемых соседними частицами.

Михаил Лукин из Гарвардского Университета (Harvard University) и Федор Железко из Штуттгартского Университета (University of Stuttgart) использовали дефекты в структуре алмаза для детектирования магнитных полей от отдельных атомов (Nature 455 644 and Nature 455 648).

На кончике кантилевера сканирующего зондового микроскопа ученые расположили этот очень чувствительный сенсор, получив «магнитосъемную» установку, которую можно позиционировать с нанометровой точностью.

Располагаясь над образцом, зонд улавливает магнитные поля от его атомов, что вызывает сдвиг частоты электронного парамагнитного резонанса. Это, в свою очередь, вызывает фотолюминесценцию зонда, которую наблюдают ученые.

Рис. 1. Схема «чувствительного элемента» нано-ЯМР

Данная техника исследований уже применялась другими учеными, но большого распространения не получила из-за большого времени релаксации зонда – оно составляло около миллисекунды. Поэтому для его продолжительной работы установку приходилось охлаждать до криогенных температур.

Лукину же удалось добиться результатов при комнатной температуре. Исследователям удалось детектировать магнитное поле с килогерцовой частотой напряженностью 3 нТ. Это эквивалентно «поимке» сигнала от электрона, расположенного на расстоянии 100 нанометров от зонда, или протона, но уже на 10 нанометрах.

Более того, исследовательская группа Федора Железко, используя магнетометр, даже смогла получить первые изображения. Правда, в роли образца выступали все те же месторасположения азотовакантных дефектов самого зонда. Изображения были получены с пространственным разрешением в 5 нанометров.

Как поясняет Федор, и пять нанометров – не предел. В дальнейших исследованиях речь пойдет о преодолении нанометрового рубежа вниз, к ангстремам. Благодаря азотовакантным дефектам можно будет исследовать отдельные белковые молекулы и структуру ДНК, что, естественно, будет подарком для биохимиков.

Еще одно широкое поле применения нанометрового ЯМР – в качестве «квантовой магнитной головки» для чтения информации, закодированной отдельными спинами. Подобные устройства, несомненно, появятся в будущем, что еще раз подстегнет миниатюризацию устройств хранения данных.

Свидиненко Юрий