تهی‌جاهای از جنسِ نیتروژن، میدانِ مغناطیسی را درونِ مایعات آشکارسازی می‌کنند !

[∆ MeRzaD ∆]

روشِ نوینِ تشدیدِ اسپینِ الکترون (ESR) که با لایه‌های نازکِ الماس و انبرک‌های اپتیکی کار می‌کند، توسط فیزیک‌دانان در آمریکا گسترش یافته است. به کمک این روش می‌توان میدان‌های مغناطیسیِ موضعی را در محیط‌های مایع اندازه‌گیری کرد. هم‌چنین می‌توان این روش را برای مشاهده و کنترل رده‌ای از پدیده‌ها که در مایعات رخ می‌دهند به‌کار گرفت، مانند فرآیندهایی که در سلول‌های زیستی یا ابزارهای الکتروشیمیایی صورت می‌گیرند. درواقع اعضای این گروه بر این باورند که برای به‌تصویرکشیدنِ میدان‌های مغناطیسیِ اطرافِ نورون‌های (عصبیِ) درونِ مغز، می‌توان از این روش بهره گرفت.

الماسِ (به‌کاررفته در این روش) دارای تهی‌جاهایی از جنسِ نیتروژن (NVs) است. پدیدآمدنِ تهی‌جاها یکی از عیوبِ شبکه‌های بلوری است. هرگاه در شبکه‌ی بلوریِ الماس، دو اتمِ کربنِ هم‌سایه با یک اتم نیتروژن و یک جایِ تهی جای‌گزین شوند، تهی‌جاهای نیتروژن پدید می‌آیند. این تهی‌جاها اسپینِ الکترونی داشته و با تخمین بسیار بسیار خوبی، از دیگر نواحیِ شبکه منزوی هستند. این به این معناست که هرگاه این تهی‌جاها در یک حالتِ اسپینیِ معین قرار بگیرند، حتی در دمای اتاق تا زمانِ نسبتاً طولانی در همین حالت می‌مانند. علاوه‌براین در هنگامِ نیاز می‌توان با اطمینانِ کامل این حالت‌های اسپینی را خواند و از نو مقداردهی کرد. بنابراین می‌توان اطلاعاتِ کوانتومی را در این ساختارها ذخیره‌کرد و یا آن‌ها را به عنوان روبش‌گرهای کوانتومی به‌کار گرفت و میدان‌های مغناطیسیِ پیرامون‌شان را آشکارسازی کرد.

David Awschalom  و هم‌کارانش در دانش‌گاهِ کالیفرنیا، سانتاباربارا، در این کارِ پژوهشی مراکزِ دارای تهی‌جاهای نیتروژن را در «نانوالماس»هایی به قطرِ 100 نانومتر بررسی کردند. وی توضیح می‌دهد که: «ما می‌توانیم نانوالماس‌ها را با دقتِ نانومتری در هر مکان دل‌خواه، قرار داده و یا به دل‌خواه به اطراف جابه‌جا کنیم. این توانایی کاربردهای بالقوه‌ای در حس‌کردن، ردیابی و برچسب‌زدن در سامانه‌های زیستیِ زیرمیکرونی خواهد داشت».

نانوالماس‌های به‌کاررفته توسطِ این گروه، به کمک انبرک‌های اپتیکی به دام افتاده‌اند. این انبرک‌ها متشکل‌ست از یک تک‌پرتوی لیزری که چنان دقیق کانونی شده که ذراتِ دی‌الکتریک مانند الماس را نه‌تنها هل نداده و به اطراف پراکنده نمی‌کند، بلکه به سمتِ کانون می‌کشد. به این ترتیب به کمکِ ابزارهای اپتیکی، ذرات در نقطه‌ی کانون باقی مانده، به پرواز درآمده و به‌دام می‌افتند. Awschalom می‌گوید: «به کمک جابه‌جا کردن نقطه‌ی کانونی‌شدنِ لیزر در محیطِ مایع، می‌توان با یک روشِ تمام‌اپتیکی (بدون نیاز به سیم یا هرگونه تماسِ فیزیکی) محلِ قرارگیریِ ذراتِ نانوالماس را برگزینیم».

 Awschalom  و هم‌کارانش نانوالماس‌هایی را به‌کار گرفتند که به واسطه‌ی تحریکات (و سرمایه‌گذاری‌هایِ) اقتصادی، هر ذره‌ی نانوالماس حدوداً بیش‌از 500 تهی‌جای نیتروژنی دربر دارد. سپس این پژوهش‌گران روشِ ESR را به‌کار گرفتند تا ساختارِ ترازهای انرژی در این تهی‌جای‌ها را بررسی کنند. روشِ ESR زمانی کاربرد پیدا می‌کند که اسپینِ الکترون‌ها تحتِ تاثیرِ میدانِ مغناطیسی قرار گیرد. به این ترتیب جهت‌گیریِ‌ متفاوتِ اسپین‌ها موجب پدیدآمدنِ اختلافِ انرژی می‌شود. در این هنگام اگر نمونه در معرضِ تابشِ امواجِ میکروویوی قرار بگیرد که انرژیِ آن برابر با اختلافِ انرژیِ میانِ دو حالتِ‌ (راستای) متفاوتِ اسپینی‌ست آن‌گاه اسپین، میانِ این دو ترازِ انرژی تشدید خواهد شد. بنابراین با اندازه‌گیریِ بسامدِ تشدید می‌توان شدتِ میدانِ مغناطیسی را تعیین کرد. Awschalom توضیح می‌دهد که: «ما برای آن‌که بتوانیم میدانِ مغناطیسیِ آشکارسازی‌شده توسطِ حس‌گرهای NV (تهی‌جای‌های نیتروژنی) در نانوالماس‌ها را دنبال کنیم، از اثر معروفِ زیمان بهره گرفتیم که ترازهای انرژیِ اسپینی در تهی‌جای‌های نیتروژنی را جابه‌جا می‌کند».

ردیابی و کنترلِ میدانِ مغناطیسی

Awschalom هم‌چنین ادعا می‌کند: «این‌که بتوانیم حس‌گرهای نانوالماس را به کمکِ لیزر، در مکانِ دل‌خواه قرار داده و با به‌کارگیریِ آن‌ها، میدانِ مغناطیسیِ موضعی را در نقطه‌ی موردِ نظر درونِ محیطِ مایع اندازه‌گیری کنیم، می‌تواند کاربردهای چندگانه داشته باشد. به عنوانِ مثال این روش می‌تواند درکِ ما را از فرآیندهای زیستیِ درونِ سلولی، پیل‌های الکتروشیمیایی، فروکافتِ (کاتالیزِ) سطح و یا شامه‌های لیپیدی افزایش دهد. این روش هم‌چنین راه نوینی پیشِ پایِ ما می‌گذارد که بتوانیم آن دسته از ساختارهای مهمِ زیستی و شیمیایی را نمایان کنیم که روبشِ آن‌ها به روش‌های رایجِ امروزی دشوار است».

در حالِ حاضراعضای این گروهِ پژوهشی علاقه‌مندند نانوالماس‌هایی را به‌کار گیرند که دارای پیوندهایی با گروه‌های شیمیایی هستند، این ویژگی سبب می‌شود که نانوالماس‌ها بتوانند به مولکول‌های معینی بچسبند. به‌کارگیریِ این نانوالماس‌ها در کانال‌های میکرومایع، در کنارِ استفاده از روش‌های به‌دام‌اندازیِ اپتیکی و تشدیدِ اسپینِ الکترون، می‌تواند پتانسیلِ به‌کارگیریِ حس‌گرهای نانوالماس و مرتب‌سازیِ رویِ‌تراشه‌ای (on-chip sorting)  را به منظورِ تعیین و سنجشِ اهدافِ ویژه، بیشینه کند.