— Published on 19/03/2020 / Bug.hr.
Nuklearne spinove znamo uskladiti magnetskim poljem što je temelj nuklearne magnetske rezonancije; novootkrivena nuklearna električna rezonancija otvara vrata kvantnim računalima i drugim aplikacijama
Zahvaljujući važnoj primjeni u medicinskoj dijagnostici, nuklearna magnetska rezonancija (NMR) danas je općepoznati pojam. No, ta se tehnika ne koristi samo u medicini. NMR važnu ulogu ima temeljnim istraživanjima – u fizici, kemiji, biologiji, biokemiji za određivanje strukture i svojstava tvari – kao i u primijenjenim istraživanjim – u poljoprivredi te kemijskoj i prehrambenoj industriji.
.
Zašto nuklearna?
Pridjev nuklearni odnosi se na jezgru atoma. Atomska jezgra, ili nukleus, sastoji se od nukleona (protona i neutrona), čestica koje imaju neka svojstva: primjerice masu, naboj i spin. Spin je temeljno kvantno svojstvo koje nema doslovnu analogiju u makroskopskom svijetu, no najbliža koncepcija mu je kutna količina gibanja ili zamah. To je veličina koja opisuje vrtnju tijela i tim je veća je što tijelo brže rotira i što mu je raspodjela mase udaljenija od osi rotacije.
Spin čestice ne izvodimo iz brzine vrtnje i raspodjele mase. Spin čestice je kvantizirana veličina što znači da može poprimiti samo neke, točno određene vrijednosti. Svaki nukleon ima svoj spin pa, ovisno o sastavu i građi, i cijela atomska jezgra može imati nekakav ukupni spin. Taj spin, kojega nazivamo nuklearni spin, kvantni je objekt koji iskazuje visoku koherenciju. To znači da je spinove mnoštva jezgri moguće uskladiti tako da budu orijentirani u istom smjeru. Ta skupna promjena u unutrašnjoj strukturi važan je indikator mnogih svojstava tvari. Slobodnije rečeno, igrajući se s nuklearnim spinovima možemo iz tvari izvući razne korisne informacije. To je razlog vrlo širokih primjena. Iduće je pitanje kako to postižemo.
.
Zašto magnetska?
Kad makroskopsko nabijeno tijelo rotira onda zbog električnog naboja u gibanju nastaje magnetsko polje. Smjer tog polja povezan je sa smjerom osi rotacije. Korisna veličina koju uvodimo za opis takvih situacija je magnetski moment. I mikroskopski objekti, primjerice atomske jezgre, imaju magnetske momente. Ti su magnetski momenti povezani sa spinom. A kako se čestica s magnetskim momentom ponaša kao sićušni magnet možemo na nju djelovati s vanjskim magnetskim poljem. Konačno, atomske jezgre sa spinom ponašaju se kao magnetići i njima je zato moguće manipulirati vanjskim magnetskim poljem. Nuklearni spinovi poslušno se okreću onako kako mi, vanjskim magnetskim poljem, dirigiramo.
.
Zašto rezonancija?
A sad dolazi najteži dio priče. Jedan od ključnih pojmova u fizici je rezonancija. Radi se o prirodnoj pojavi pri kojoj neki titrajni sustav, pod utjecajem vanjske periodične sile, titra najvećom amplitudom. To se događa kad frekvencija vanjske sile odgovara vlastitoj frekvenciji titrajnog sustava. A vlastita frekvencija titrajnog sustava proizlazi iz nekih unutrašnjih svojstava samog tog sustava. I sad, ako mijenjamo frekvenciju vanjske sile i pratimo odziv sustava onda znamo da smo pri maksimalnom odzivu pogodili upravo vlastitu frekvenciju sustava. Tu frekvenciju nazivamo rezonantnom frekvencijom.
Sad se možemo vratiti onim poslušnim nuklearnim spinovima koje smo skupno orijentirali vanjskim magnetskim poljem. Svi gledaju u istom smjeru, kao suncokreti u Sunce. No, za razliku od suncokreta nuklearni spinovi imaju dva povoljna položaja u kojima su smjerovi vektora spina i vektora polja isti (što znači da leže na istom pravcu ili na usporednim pravcima). U jednom je položaju orijentacija vektora ista, a u drugom suprotna. Ali energije ta dva položaja nisu iste. Postoji izvjesna razlika tih energija.
Ako nuklearne spinove u vanjskom magnetskom polju pobuđujemo dovoljno malom frekvencijom elektromagnetskog vala oni će samo titrati oko smjera magnetskog polja. Umnožak frekvencije elektromagnetskog vala i Planckove konstante odgovara energiji. Dakle, pogodnim izborom frekvencije fotoni će imati upravo onu energiju da preokrenu sve nuklearne spinove. Postoji dakle točno određena frekvencija elektromagnetskog vala, obično u radiopodručju, koja će uzrokovati drastični odziv sustava. Tada se događa nuklearna magnetska rezonancija. A iznos rezonantne frekvencije otkriva nam neke fine karakteristike tvari koju ispitujemo. Metoda je neizvazivna pa je zato pogodna i za medicinsku dijagnostiku i za prehrambenu industriju, primjerice za provjeru autentičnosti vina ili maslinova ulja.
.
Koja je prednost električnog polja?
Nuklearna magnetska rezonancija moćna je tehnika, ali ima svoja ograničenja. Vanjsko magnetsko polje koje nam za njezinu provedbu treba ne možemo jako lokalizirati. To znači da smo ograničeni samo na relativno velike uzorke.
S druge strane, prije nekih 60 godina teorijski je predviđena nuklearna električna rezonancija, pojava slična nuklearnoj magnetskoj rezonanciji. Kao što je očito iz naziva, umjesto magnetskog koristilo bi se vanjsko električno polje. To se polje, za razliku od magnetskog, može jako lokalizirati pa se može primijeniti na skroz male uzorke, praktički na pojedinačne nuklearne spinove. Doduše, bilo je to lako izračunati, ali teško realizirati. Sve do današnjih dana.
Grupa australijskih istraživača nedavno je otkrila kako ostvariti nuklearnu električnu rezonanciju na najmanjoj skali, doslovno na jednoj atomskoj jezgri. I to slučajno, zbog pogreške na opremi koja je uzrokovala zanimljive učinke. Znanstvenici su bili dovoljno znatiželjni da slučaj detaljno prouče i shvate. A ta se posvećenost više nego isplatila. Došli su do velikog otkrića koje će sigurno imati značajne primjene. Vjerojatno najzanimljivija primjena je manipulacija kvantnim objektima na nanoskali što je bitno za realizaciju kvantnih računala. Rad je objavljen prošli tjedan u prestižnom znanstvenom časopisu Nature.