Tutkimusläpimurto voisi mahdollistaa ultraherkät kvanttikemialliset anturit

Tiimi, johon kuului tutkijoita Tokion, Glasgow'n, Sheffieldin ja Koben yliopistoista, on ensimmäistä kertaa käyttänyt valoa lukeakseen huokoisen kiteisen materiaalin, metalli-orgaanisen rungon (MOF), sisään jääneiden elektronien magneettisen spinin.

Tiimin työ perustuu aiempaan tutkimukseen optisesti havaitusta magneettiresonanssista eli ODMR:stä, jossa elektronispinejä havaitaan valon avulla. Tekniikka on herättänyt huomiota hyödyllisenä menetelmänä spin-kubittien lukemiseen kvanttiantureissa.

Kehitys on tärkeä askel kohti MOF-materiaalien käyttöä kemiallisten aineiden havaitsemiseksi poikkeuksellisen herkästi tulevaisuuden anturilaitteissa.

Tohtori Alistair Bayliss taustoittaa: "MOF:t ovat pohjimmiltaan molekyylirakenteita. Ne ovat jäykkiä ja huokoisia rakenteita ja niillä on suuri potentiaali aistimissovelluksissa. Tämä onkin ensimmäinen kerta, kun kukaan on mitannut spinresonanssia tällä tavalla tällaisessa materiaalissa."

Tohtori Inglis jatkoi: ”Jännittävää on, että spinresonanssi kertoo meille paitsi molekyyleistä itsestään myös niiden ympäristöstä, mikä tarkoittaa, että näitä materiaaleja voitaisiin käyttää antureina. Ja koska nämä MOF:t ovat huokoisia, voimme periaatteessa ladata kohdemolekyylejä kehykseen ja lukea ne samalla tekniikalla, mikä tarjoaa molekyylitason aistimisen.”

Valolla havaittavat elektronispinit voidaan havaita suuremmalla herkkyydellä ja spatiaalisella resoluutiolla verrattuna mikroaalloilla tehtävään elektronispinresonanssiin.

Timantin typpivakanssikeskukset ovat yksi hyvin tutkittu esimerkki optisesti havaittavista elektronispineistä. Koska ne käyttävät kiteen sisällä olevissa virheissä olevia spinejä, niiden hallittavuudessa ja vuorovaikutuksessa ulkoisten aineiden kanssa on kuitenkin rajoituksia.

Molekyylistä johdetut spinit ovat sitä vastoin kemiallisesti hallittavissa – niiden rakenteita voidaan suunnitella ja niiden spin-ominaisuuksia säätää. Metalli-orgaaniset kehykset menevät vielä pidemmälle kontrolloimalla elektronispinien sijaintia ja suuntaa huokoisessa materiaalissa.

Koska ne ovat huokoisia, kohdekemikaalit voidaan adsorboida huokosiin ja havaita indusoimalla lähietäisyyden vuorovaikutuksia spinien kanssa. Näiden etujen vuoksi MOF-materiaaleja on pidetty lupaavina materiaaleina kvanttiantureille; spinien optista havaitsemista MOF-materiaaleissa ei kuitenkaan ollut osoitettu ennen tätä tutkimusta.

Koska MOF-materiaalit voidaan suunnitella monin eri tavoin muuttamalla ligandeja ja kiderakenteita, tutkimusryhmän mukaan heidän demonstraatiotaan voitaisiin laajentaa koskemaan monia samankaltaisia materiaaleja. Tällaisten MOF-materiaalien kirjasto, joista jokainen reagoi eri tavalla tiettyihin kemikaaleihin, voisi toimia "kvantti-nenänä", joka tunnistaa aineita niiden vastemallien perusteella.

Aiheesta aiemmin:

Opas kvanttitehostettuun tunnistusteknologiaan

Yksittäisten spinien havaitseminen sähköisesti