دانشمندان با استفاده از تکنیکی جدید، کوچک‌ترین تصویربرداری رزونانس مغناطیسی جهان را برای تصویربرداری از میدان مغناطیسی اتم‌ها به‌صورت انفرادی اجرا کردند. این پیشرفتی باورنکردنی است که می‌تواند موجب پیشرفت پژوهش‌های کوانتومی و نیز افزایش درک ما از جهان در مقیاس زیراتمی شود. آندریاس هاینریش، فیزیک‌دان مؤسسه‌ی علوم پایه در سئول گفت:

از این نتایج بسیار هیجان‌زده هستم. این قطعا نقطه‌ی عطفی در حوزه‌ی علم ما است و کاربردهای امیدبخش زیادی برای پژوهش‌های آینده دارد.

شما احتمالا با تصویربرداری رزونانس مغناطیسی یا MRI به‌عنوان روشی برای تصویربرداری از ساختارهای درونی بدن در پزشکی آشنا هستید. دستگاه MRI از آهن‌رباهای بسیار قدرتمند برای ایجاد میدان مغناطیسی قوی در اطراف بدن استفاده می‌کند و موجب می‌شود اسپین پروتون‌های موجود در هسته‌ی اتم‌های هیدروژن بدن بدون ایجاد عوارض جانبی هم‌راستای میدان مغناطیسی قرار گیرند. سپس، جریان فرکانس رادیویی برای برانگیخته‌شدن پروتون‌ها اعمال و باعث می‌شود آن‌ها در مقایسه با جهت میدان مغناطیسی منحرف شوند. وقتی جریان قطع می‌شود، حسگرها می‌توانند انرژی آزادشده به‌وسیله‌ی پروتون‌هایی را تشخیص دهند که در حال بازگشت به حالت قبل هستند و این سیگنال را به یک تصویر تبدیل کنند.

در اسکنرهای پزشکی این فرایند به‌یک‌باره برای میلیاردها پروتون اتفاق می‌افتد. پژوهشگران برای اینکه این فرایند را در مقیاس‌های کوچک‌تر انجام دهند، از میکروسکوپ تونلی روبشی استفاده کردند؛ ابزاری که می‌تواند از سطوحی با مقیاس اتمی به‌وسیله‌ی روبش سوزنی بسیار ریز روی سطح تصویربرداری کند. از این ابزار برای کاوش دقیق اتم‌های تیتانیوم و آهن استفاده شد؛ بدین ترتیب، با تشکیل خوشه‌ی کوچکی از اتم‌های مغناطیسی‌شده‌ی آهن که به انتهای سوزن ریز چسبیده بودند، این به دستگاه MRI کوچکی تبدیل شد که در نمونه‌ی بررسی‌شده به‌جای پروتون‌ها موجب هم‌ردیف‌کردن الکترون‌ها در میدان شد. تمام کاری که پژوهشگران باید انجام می‌دادند، افزودن پالس‌های جریان فرکانس رادیویی بود که به حسگرها اجازه می‌داد انرژی آزادشده به‌وسیله‌ی الکترون‌ها را تشخیص دهند و تصویری از میدان مغناطیسی اتم منفرد تیتانیوم یا آهن ایجاد کنند.

تعاملات میان میدان مغناطیسی اتم و دستگاه

فیلیپ ویلکه، فیزیک‌دان مؤسسه‌ی علوم پایه‌ی سئول توضیح می‌دهد:

این موضوع آشکار شد که فعل‌و‌انفعالات مغناطیسی که اندازه‌گیری کردیم، به ویژگی‌های هر دو اسپین، یعنی اسپین روی انتهای سوزن و اسپین روی نمونه بستگی دارد. برای مثال، سیگنالی که برای اتم‌های آهن می‌بینیم، با آنچه برای اتم‌های تیتانیوم می‌بینیم، بسیار متفاوت است. این امر به ما اجازه می‌دهد بتوانیم انواع مختلف اتم‌ها را به‌وسیله‌ی خصوصیت میدان مغناطیسی آن‌ها از هم تمایز دهیم و تکنیک خود را بسیار قدرتمند کنیم.

علاوه‌بر توانایی شناسایی عنصر فقط از روی یک اتم، این تکنیک چنان حساس است که می‌تواند بین اتم‌هایی تمایز قائل شود که درکنار هم قرار گرفته‌اند. احمد دوک شرین، فیزیک‌دان مرکز پژوهش‌های علوم پیشرفته در نیویورک، در مصاحبه با نیویورک‌تایمز گفت:

این واقعا ترکیبی عالی از تکنولوژی‌های تصویربرداری است. MRIهای پزشکی می‌توانند نمونه‌ها را به‌خوبی توصیف کنند؛ اما در مقیاس بسیار کوچک نمی‌توانند این کار را انجام دهند.

پژوهشگران برای چنین تکنولوژی کوچکی، طرح‌های بزرگی در سر دارند. آن‌ها معتقدند این تکنولوژی در مکان‌یابی ویژگی‌های مغناطیسی و اسپینی نه‌فقط اتم‌های انفرادی، بلکه ساختارهای بزرگ‌تری مانند مولکول‌ها بی‌نهایت سودمند است. همچنین، این تکنیک برای توصیف و کنترل سیستم‌هایی کوانتومی استفاده می‌شود که برای حوزه‌ی در حال توسعه‌ی محاسبات کوانتومی می‌تواند مفید باشد. هاینریش گفت:

توانایی مکان‌یابی این اسپین‌ها و میدان‌ مغناطیسی آن‌ها با دقتی خارج از تصور به ما اجازه می‌دهد دانش عمیق‌تری درباره‌ی ساختار ماده کسب کنیم و حوزه‌های جدیدی از پژوهش‌های بنیادی ایجاد می‌شود.

نتایج این پژوهش در مجله‌ی Nature Physics منتشر شده است.