3D-Aufnahmen von der Nanowelt

  • 10. September 2013

Neue Methode richtet Kernspin auch in extrem kleinen Materialproben aus und steigert die Empfindlichkeit von MRT.

Viele Elemente wie Wasserstoff oder Phosphor lassen sich durch ein Magnetfeld ausrichten, eine Kernspinpolarisation liegt vor. Werden die Kerne mit Radiowellen in einer bestimmten Frequenz bestrahlt, ändern die Spins ihre Richtung, beginnen dann aber, sich wieder zurückzudrehen und geben die Energie frei, die sie zuvor durch die Radiowellen aufgenommen hatten. Speziellen Antennen können diese Signale erfassen, was wertvolle Informationen zur Struktur oder zur chemischen Zusammensetzung eines Prüfobjekts liefert. Bei Objekten, die kleiner als eine einzelne Zelle sind und daher nur eine geringe Anzahl von Kernen aufweisen, sind jedoch die natürlichen Schwankungen der Kernspinpolarisation größer als die Polarisation, die durch das magnetische Feld erzeugt wird. Diese Abweichungen, der Spin Noise, sind in extrem kleinen Maßstäben so dominant, dass es sehr schwierig ist, die Kernspinresonanz zu messen und mit MRI zu untersuchen.

Das Team um Martino Poggio von der Universität Basel hat eine Methode entwickelt, mit der sich eine Polarisierung dieser zufälligen Schwankungen erzeugen lässt. Durch die Überwachung, Steuerung und Erfassung statistischer Spinfluktuationen konnten die Forscher Polarisationen erzielen, die viel größer sind als durch das Anlegen eines Magnetfelds. Die Ergebnisse sind von unmittelbarer Bedeutung für jüngste technische Entwicklungen, durch welche die Volumina, die sich mittels Kernspinresonanz-Messungen untersuchen lassen, stark verkleinern. „Ein besseres Verständnis dieser Phänomene kann zu neuen, hochauflösenden bildgebenden Verfahren im Nano- und atomaren Bereich führen“, erklärt Poggio.

Durch die Fähigkeit, die natürlichen Schwankungen in der Kernspinpolarisation zu reduzieren, könnte die Methode auch für Quantencomputer nützlich sein. Auf diese Weise lasse sich die Kohärenzzeit von Festkörper-Qubits verbessern, denn selbst winzige Schwankungen in der Kernpolarisation zerstören deren quantenmechanische Kohärenz. Wenn es gelingt, diese Schwankungen zu kontrollieren, lässt sich die Kohärenzzeit verlängern. Die Kontrolle der fragilen Quantenzustände bildet eine wichtige Voraussetzung für den Bau eines Quantencomputers.

U. Basel / AH

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