تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) یکی از متداول ترین فنون استفاده­ شده به منظور تصویربرداری از بخش های داخلی بدن حیوانات و انسان ها، به ویژه برای تشخیص سرطان است. ابزار ام ­آر­آی (MRI) مرسوم برای یک تفکیک ­پذیری چند میکرومتری، نیازمند نمونه ­های نسبتاً بزرگ هستند تا تصاویر مناسب را تهیه نمایند. در زمان­های اخیر، گرو­ه­های پژوهشی مختلف به منظور دستیابی به تفکیک پذیری پایین تر از ابعاد اتمی به تحقیق و جستجو پرداختند. در جدیدترین کشف اخیر، گروهی از پژوهشگران آمریکایی و کره ای، به رهبری "آندریاس هاینریش" در دانشگاه بانوان Ewha و همکاری مرکز IBS برای فناوری نانوی کوانتومی در کره و "کریستوفر لوتس" در IBM Almaden در آمریکا، از اتم های منفرد روی سطح تصویربرداری کرده اند. این موضوع پتانسیل ام آرآی (MRI) را در مطالعه­ی مولکول های زیستی با تفکیک پذیری بی نظیر برای بررسی ساختار اسپینی اتم ها، مولکول ها، جامدات، سیستم های کوانتومی و شبکه های اسپین ارتقا می دهد.

یکی از ویژگی های کوانتومی برای مشخص کردن پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها اسپین است که به وجود و یا عدم وجود ویژگی های مغناطیسی در یک ماده مربوط می شود. ام آرآی (MRI) مرسوم برمبنای تشدید مغناطیسی هسته ای استوار است که مختصه های اسپینی هسته های اتمی را تعیین می کند. برای بهبود تفکیک پذیری تصاویر، "هاینریش" و "لوتس" و همکاران از فناوری "میکروسکوپ تونلی روبشی" (STM) بهره بردند. فناوری که می تواند اتم­ها را­ به وسیله ی کنترل جریان تونل زنی میان یک نوک باریک و یک صفحه در هنگام اسکن یک نمونه، آشکار کند. تفکیک پذیری STM به ­طورعمده از آنچه که به وسیله ی رهیافت های دیگر به منظور تصویربرداری خواص اسپینی به دست آمده، بالاتر است؛ اما تلاش های قبلی برای تعیین برهمکنش های مغناطیسی با STM به دلیل حرکت حرارتی (Thermal Motion) با مشکل مواجه شده بود. برای تصویربرداری از خواص اسپینی با تفکیک پذیری اتمی، پژوهشگران به منظور آشکارسازی تغییرات در تشدید اسپین الکترونی از STM در دماهای کریوژنیک استفاده می کنند.

فنون ترکیبی

پژوهشگران ابتدا اتم های منفرد را روی یک لایه به ضخامت دو اتم از اکسید منیزیم جذب سطحی نمودند و با افزودن اتم های آهن یک خوشه ی اسپین روی نوک STM ایجاد کردند. آن­گاه نوک رسانا گرادیان میدان مغناطیسی، بازخوانی الکتریکی و میدان محرک مورد نیاز برای اندازه­گیری ها را فراهم می­کند. به کار بردن یک ولتاژ بسامد رادیویی (RF) گذاری بین حالت­های اسپینی مختلف القا می کند؛ زیرا در بسامد تشدید اتمی قله های جریان تونل زنی در نوک نزدیک به سطح قرار گرفته است. چون بسامد تشدید در سراسر اتم تغییر می کند، میدان مغناطیسی ناشی از نوک، حالت های اسپین را به سطوح انرژی اضافی می شکافد. در نتیجه اسکن اتم با نوک در یک بسامد ثابت، جزئیات این الگوهای تشدیدی متغیر به صورت فضایی را به دقت مشخص می­کند و یک تصویر اسپینی با تفکیک پذیری اتمی را فراهم می ­نماید.

پژوهشگران پتانسیل برهمکنش مغناطیسی سه بعدی میان اسپین نوک مغناطیسی و اتم­های سطحی را به دقت تعیین کردند. علاوه­براین، آن ها نشان دادند که چگونه پیکربندی های نوک و گونه های اتمی مختلف، جزئیات خواص مغناطیسی نوک و اتم های سطحی را آشکار می کند.

این مقاله در Nature Physics منتشر شده است.