Вчені досліджували рекордно малий об'єкт за допомогою магнітно-резонансної томографії - їм вдалося визначити магнітні властивості окремих атомів. Розвиток методу дозволить безпосередньо вивчати взаємодії спинів і магнітні властивості плоских молекул, пишуть автори в журналі.
Магнітно-резонансна томографія - це спосіб побудови томограм (післяйових зображень) об'єктів, заснований на явищі ядерного магнітного резонансу. Він полягає в реакції атомних ядер з ненульовим магнітним моментом на зовнішнє магнітне поле. У результаті стає можливим отримання зображень внутрішності тіл, до складу яких входять такі ядра.
Магнітний момент ядра визначається спинами вхідних в нього нуклонів - протонів і нейтронів. Всі нуклони володіють спином, причому різним видам енергетично вигідно спарюватися з паралельними спинами. Однак це не суперечить принципу заборони Паулі, тому що протон і нейтрон, хоч і відносяться обидва до ферміонів, не є ідентичними частинками.
Залежно від чітності кількості нуклонів властивості ядер різняться. У систем з парної кількості як протонів, так і нейтронів, сумарний спин і, відповідно, магнітний момент, дорівнюють нулю в неприпустимому стані. В інших випадках спин і магнітний момент відмінні від нуля. Наприклад, у звичайного водню в ядрі лише один неспарений протон, тому спин дорівнює порожній, а у більш важкого ізотопу дейтерію один нейтрон і один протон, тому спин дорівнює одиниці. Водночас додавання ще одного нейтрону (ядро тритію) змушує нейтральні частинки орієнтувати спини в протилежні сторони, тому сумарний спін ядра виявляється знову рівним.
У присутності зовнішнього постійного магнітного поля спини шикуються вздовж напрямку його силових ліній. Потім за допомогою додаткового імпульсу змінного магнітного поля спини виводяться зі стану рівноваги. У міру їх подальшої релаксації до раніше положення ядра випускають вимірюваний сигнал, який дозволяє визначити їх наявність. Зазвичай для дослідження живих тканин або зразків матеріалів використовуються мільйони і мільярди ядер, як правило, водню.
У роботі вчених з США і Південної Кореї описується модифікований метод ядерного магнітного резонансу, який дозволяє вивчати набагато дрібніші об'єкти. Для цього автори об'єднали принцип роботи томографа зі скануючим тунельним мікроскопом - інструментом, що дозволяє досліджувати рельєф проводять об'єктів завдяки мікроскопу тунельному струму, що протікає між зразком і тонкою голкою.
Фізики вивчали атоми заліза і титану, поміщені на підкладку. Індивідуальні атоми були видні в сам тунельний мікроскоп, але автори використовували його голку в якості магнітно-резонансного томографа, що дозволило картувати створюване частинками магнітне поле з надзвичайно високою просторовою роздільною здатністю. Як магнітний зонд на кінчику голки було розміщено кілька атомів заліза.
Дослідники використовували ефект електронного парамагнітного резонансу - аналогічного ядерному резонансу ефекту, в якому збуджуються спини електронів. Опромінення імпульсами радіочастотного діапазону створювало необхідне обурення, релаксація після якого дозволила післяйно визначити магнітне поле окремих атомів.
"Виявилося, що вимірена магнітна взаємодія залежала від властивостей обох спинів, як розташованого на кінці голки, так і Дослідницького центру IBM в Алмадені. Зокрема, сигнал атома заліза значно відрізняється від виробленого атомом титану, що дозволяє нам розрізняти їх на основі характеристик магнітного поля, що робить метод дуже ефективним ".
За допомогою магнітної томографії можна не тільки діагностувати хвороби у людини і досліджувати цікаві з фізичної точки зору матеріали, але й отримувати красиві картинки, наприклад, засунувши в томограм овочі та фрукти, що ми показували в матеріалі «Магнітно-овочева томографія». Також ядерний магнітний резонанс дозволив детально досліджувати надплинний гелій-3 і знайти в ньому хіральні домени.