ثبت میدان مغناطیسی یک اتم توسط کوچکترین دستگاه MRI جهان برای اولین بار 

محققان موفق شده اند با استفاده از کوچکترین دستگاه تصویرسازی تشدید مغناطیسی (MRI) جهان، برای اولین بار تصویری از میدان مغناطیسی یک اتم را ثبت کنند. این یک دستاورد انقلابی محسوب می شود و می تواند در پیشرفت تحقیقات کوانتومی و نیز درک جهان در مقیاس اتمی کاربرد داشته باشد.

«آندریاس هاینریش» فیزیکدان از آزمایشگاه علوم پایه در سئول درباره این موضوع با ابراز هیجان گفته:

«این قطعاً یک نقطه عطف در حوزه [کاری] ما محسوب می شود و پیامدهای بسیار مهمی برای تحقیقات آتی دارد.»

MRI یا تصویر سازی تشدید مغناطیسی روشی است که در پزشکی امکان اسکن اعضای داخلی بدن را فراهم می کند. این دستگاه ها با استفاده از آهن رباهای بسیار قوی میدان مغناطیسی بسیار قدرتمندی را در اطراف بدن انسان ایجاد می کنند. طی این فرایند پروتون های هسته اتم های هیدروژنِ بدن وادار به قرار گیری در جهت میدان مغناطیسی اعمال شده می شوند و البته تمام این فرایندها در حالی است که اثرات جانبی هم ندارد.

سپس فرکانس های رادیویی برای تحریک پروتون ها اعمال می شوند و آنها را مجبور به مغلوب شدن در برابر میدان می کنند. زمانی که این سیستم خاموش می شود حسگرها می توانند انرژی آزاد شده از پروتون ها در زمان بازگشت به میدان مغناطیسی خود را تشخیص دهند. خروجی حسگرها در نهایت به داده های تصویری تبدیل می شود.

اما اسکنرهای MRI پزشکی نیاز به تحریک کردن میلیاردها پروتون دارند تا حسگرها موفق به تشخیص شوند. محققان برای اینکه مقیاس کاربرد MRI را به مقداری بسیار کوچکتر تقلیل دهند از میکروسکوپ تونلی روبشی بهره برده اند؛ ابزاری که می تواند با استفاده از یک سوزن بسیار ظریف، در سطح اتمی از سطوح عکس برداری کند. این ابزار برای بررسی اتم های تیتانیوم و آهن کاربرد داشت اما با اتصال دسته ای از اتم های آهن مغناطیسی شده به نوک آن، به یک دستگاه MRI کوچک بدل شد. در نهایت دستگاه توانست به جای مرتب کردن پروتون ها، الکترون ها را به صف کند.

اما برای مرحله بعد نیاز بود که پالسی از جریان فرکانس رادیویی اعمال شود تا سنسورها قادر به تشخیص انرژی آزاد شده توسط الکترون ها باشند و در نهایت امکان عکس برداری میدان مغناطیسی یک اتم آهن یا تیتانیوم ممکن شود. به گفته «فیلیپ ویلک» از فیزیکدانان این آزمایشگاه این فرایند نشان داد که اثر متقابل میدان مغناطیسی که توسط محققان اندازه گیری شد به خصوصیات هر دو چرخش بستگی دارد؛ یک چرخش مربوط به نوک ابزار میکروسکوپ و دیگری در نمونه ای که آزمایش روی آن انجام شده است.

به گفته او به عنوان مثال سیگنالی که از اتم های آهن ثبت می شود به میزان زیادی با آنچه که از اتم تیتانیوم دیده می شود متفاوت است. این موضوع کمک می کند که تفاوت های اتم های مختلف با بررسی خصوصیات میدان مغناطیسی آنها تشخیص داده شود؛ موضوعی که نشان از اهمیت بالای روش جدید دارد.

علاوه بر این این حساسیت این روش به اندازه ای بالا است که می تواند شناسایی اتم هایی که در کنار هم قرار گرفته اند را ممکن کند. در این راستا تیم محققان طرح های بزرگی برای آینده دارند. آنها معتقدند که این روش می تواند به طرز بی نظیری برای نقشه برداری از خصوصیات چرخش و مغناطیس ساختارهای بزرگتری از جمله مولکول ها هم کاربرد داشته باشد. علاوه بر این می تواند در شناسایی و کنترل سیستم های کوانتومی به کار بیاید؛ قابلیتی که احتمالاً در توسعه کامپیوترهای کوانتومی مفید خواهد بود.

نتایج این تحقیق در نیچر فیزیکس منتشر شده است.