Проведена первая в истории магнитно-резонансная томография одного атома

Ученые провели МРТ одного-единственного атома. Полученный уровень разрешения - это настоящий прорыв для мира микроскопических исследований. Потенциальное его применение возможно в широком спектре от квантовых вычислений до разработки революционных медикаментов.

Магнитно-резонансная томография, которая даёт объёмную картину того, что происходит внутри вашего тела, на самом деле базируется на отслеживании крошечных сдвигов протонов. МРТ-сканер генерирует очень сильное магнитное поле вокруг предмета своего исследования, выстраивая протоны в соответствии с его линиями. После этого машина отправляет радиочастотные импульсы, которые начинают возбуждать частицы, немного "оттягивая" их от занимаемого положения. Когда импульс прерывается, протоны возвращаются на свои места - как резинка между двумя пальцами, если её натянуть, а потом отпустить. Энергия, которая высвобождается при этом, визуализируется сканером. Различные ткани организма выглядят при этом по-разному, так как их протонам требуется разное количество времени, чтобы занять прежнее положение. Также отличается количество высвобождаемой энергии. Но это крупный масштаб, целое человеческое тело, в котором неисчислимое количество элементарных частиц. Как эта технология будет выглядеть в применении к одному атому?


Не нужно пытаться представить себе микроскопическую версию МРТ-сканера. Исследователи в данном случае пошли немного по другому пути. Они усовершенствовали уже существовавший инструмент - сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Принцип его работы выглядит так: игла микроскопа вступает в контакт с атомами металла, находящимися на поверхности материала, после чего подаётся потенциал, и электронное облако на кончике иглы соединяется с таким же облаком исследуемого материала. При этом возникает так называемый туннельный ток, измерение показаний которого даёт довольно точную картину.


Этот вид изображений высокодетализирован, достигая уровня примерно в 0.1 нанометра, то есть один ангстрем. Что вполне определенно является атомным масштабом. Но в подобном изображении содержится не очень много полезной информации. Поэтому учёные и решили добавить сюда функцию МРТ. Совместная исследовательская группа из нескольких институтов разных стран мира заставила иглу сканирующего туннельного микроскопа генерировать магнитное поле. После этого в систему был подан радиочастотный импульс, который индуцировал изменения в спиновом состоянии атомов материала. Разница спинов на игле микроскопа и внутри исследуемого образца предоставила изображение атома.

И это, наверное, настоящая революция в области микроскопических исследований. Подобная МРТ атома может показывать в субангстремном масштабе, то есть детальнее, чем когда бы то ни было. Она может раскрыть магнитные свойства и спиновые характеристики атомов. А это, если подключить воображение, может стать неоценимым подспорьем в изучении квантовой физики и создании квантовых компьютеров. Последняя задача в значительной степени зависит от понимания спиновой динамики частиц. Если с помощью этой технологии удастся научиться организовывать движение отдельных атомов, это может привести к беспрецедентному прорыву в области квантовой техники. Исследование магнитных свойств молекул в атомном масштабе пригодится и в биологии. Представляется, что описанный метод позволит увидеть, например, как происходит процесс сворачивания белков, что приведёт к разработке более эффективных лекарств.

Впрочем, до широкого применения этой техники научных изысканий, скорее всего, ещё довольно далеко. Созданное исследователями устройство простым никак не назовёшь. Для МРТ на микроскопическом уровне требуется сверхвысокий вакуум и температура в районе абсолютного нуля. Кроме того, описанные исследования проводились на крайне специфических материалах. Однако учёные планируют и дальше совершенствовать свою установку, чтобы заглянуть в микромир ещё глубже.