?重大科学突破:实现最小核磁共振成像,能对单个原子成像!

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  梨花女子大学基础科学研究所量子纳米科学中心(QNS)的研究人员,进行了世界上最小的核磁共振成像(MRI),取得了重大的科学突破。在与美国同事的国际合作中,科学家们用新技术来可视化单个原子的磁场。

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  核磁共振成像作为诊断成像的一部分,在医院中例行进行。核磁共振成像检测的是人体中纺锤波的密度,纺锤波是电子和质子中的基本磁,传统上,核磁共振扫描需要数十亿个自旋。

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  在发表在《自然物理》上的新发现表明,对于表面上的单个原子来说,这一过程现在也是可能的。为了做到这一点,研究小组使用了扫描隧道显微镜,该显微镜由原子尖的金属尖端组成,通过扫描尖端表面,研究人员可以对单个原子成像和探测。在这项工作中研究的两种元素,铁和钛,都是磁性。通过精确地制备样品,原子在显微镜下很容易看得见。然后,研究人员用显微镜的尖端像核磁共振成像仪一样。

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  (图示)明亮区域标志着原子磁场相同的位置

  以前所未有的分辨率绘制出原子产生的三维磁场,为了做到这一点,研究人员把另一个自旋团附在显微镜锋利的金属尖上。与普通磁铁类似,这两种自旋会相互吸引或排斥,这取决于它们的相对位置。通过将自旋团簇扫过表面的原子,研究人员能够绘制出磁场相互作用的图谱。该研究的第一作者、QNS的菲利普·威尔克博士说:结果表明,测量到的磁相互作用取决于两个自旋的性质,一个在尖端,一个在样本上。

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  例如,我们看到的铁原子信号与钛原子信号有很大不同。这使得科学家们能够通过磁场特征来区分不同种类的原子,同时也展现了这项技术非常强大。研究人员计划用单原子核磁共振成像来绘制分子和磁性材料等更复杂结构中的自旋分布。许多磁现象发生在纳米尺度上,包括最新一代的磁存储设备。研究人员现在计划用显微镜下的核磁共振成像研究各种系统。

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  (图示)单个磁性原子沉积在氧化镁表面,由扫描隧道显微镜的磁头成像,这也使得研究人员可以对原子磁场进行核磁共振扫描

  在纳米尺度上分析磁性结构的能力可以帮助研究人员开发新的材料和药物。此外,研究小组希望利用这种核磁共振成像来表征和控制量子系统。这些对于未来的计算方案(也称为量子计算)非常有意义。相信大多数人对这些结果感到非常兴奋,这无疑是这个领域的一个里程碑,对未来研究具有非常重要的意义,能够以以前无法想象的精度绘制自旋及其磁场图,让我们对物质结构有了更深入的了解,开辟了基础研究的新领域!

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