NMR-Gerät in Chipgröße

NMR-Gerät in Chipgröße

Ein neues winziges Halbleiter-Element macht es möglich, den Kernspin auf der Nanometerskala zu kontrollieren und nachzuweisen.

Atsugi (Japan) - Ärzte und Materialforscher schätzen die detailreichen Bilder, die ihnen Magnetresonanz-Systeme aus dem Körper oder von neuen Werkstoffen liefern. Neben diesen klassischen "Kernspin"-Anwendungen und der NMR-Analysen der Chemiker schielen auch Physiker auf die magnetischen Eigenschaften von Atomkernen, um sie für zukünftige Quantencomputer oder Massenspeicher zu verwenden. Bislang waren die verfügbaren Systeme mit aufwändigen Magnetspulen und Sensoren viel zu groß für solche Module. Ein neues Halbleiter-Element bietet nun die Möglichkeit, den Kernspin auf der Nanometerskala zu kontrollieren und nachzuweisen. Japanische Wissenschaftler von den NTT Basic Research Laboratories in Atsugi berichten im Fachblatt "Nature" über ihre viel versprechenden Ergebnisse für ein NMR-Geräte in Chipgröße.

Abb.: Mit dem neu entwickelten nanometerkleinen NMR-Modul lassen sich Magnetresonanzen in bisher unerreichter Genauigkeit messen. Dies geschieht über die Schwingungen des elektrischen Widerstands. (Quelle: Nature, NTT Basic Research Laboratories)

"Unser Modul erlaubt den direkten Nachweis von sonst unzugänglichen Quantenzuständen", erklären Go Yusa und seine Kollegen. Brauchten Nukleare Magnetresonanz-Geräte (NMR) bisher relativ große Proben aus 10 ¹⁵ bis 10 ¹⁸ Molekülen oder Atomen, um ein verwertbares Signal zu erhalten, reichen für das neue NMR-Modul das Umklappen der Magnetspins von nur 10 ⁸ Teilchen aus. Diese hohe Empfindlichkeit erreichen sie mit einer nur 20 Nanometer dicken Struktur aus dem Verbindungshalbleiter Galliumarsenid.

Dazu leitete das Team um Yusa einen Strom von sieben Nanoampère durch die Galliumarsenid-Struktur, die sie bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (100 Millikelvin) einem statischen Magnetfeld von 5,5 Tesla aussetzten. Dadurch werden die Kernspins im Verbindungshalbleiter stark polarisiert. Darauf ließen sie ein oszillierendes zweites Magnetfeld auf diese Probe einwirken. Mit einer Frequenz nahe der NMR-Resonanz des Materials erzeugten sie eine nachweisbare Spin-Polarisation. In der Folge veränderte sich der Widerstand des Galliumarsenids um einige Hundert Ohm - ebenfalls oszillierend. Da dieser Wert gut gemessen werden kann, bildet er eine elegante Grundlage, um das Magnetresonanz-Verhalten der Probe zu analysieren. Mit kleinen Frequenzänderungen des variierenden Magnetfeldes konnte Yusa so ein komplettes Spektrum der im Galiumarsenid erlaubten magnetischen Resonanzübergänge aufnehmen. Aufwändige Detektoren für die schwachen Magnetpulse beim Umklappen der Spins (z. B. aus SQUIDS) waren nicht mehr nötig.

Durch die einzigartige Empfindlichkeit dieser Methode offenbarten sich nicht nur die Magnetresonanzen, die genau dem Übergang von beispielsweise -1/2 -> +1/2 entsprechen. Auch höhere Magnetspinzustände, die um zwei oder drei Drehmoment-Quanten variieren, konnten nachgewiesen werden. So lassen sich je nach Material mehrere Magnetspin-Zustände für eine vorstellbare Verwertung in einem Quantencomputer nutzen.

Auch wenn die japanischen Wissenschaftler vor allem die Kontrolle magnetischer Quantensysteme für die Informationsverarbeitung im Blick haben, sieht Robert Tycko vom National Institutes of Health im amerikanischen Bethesda noch Potenzial für andere Anwendungen. "Deponiert man biologische Makromoleküle auf ein solches Modul, \[...\] könnte sogar ein NMR-Spektrum von picomolaren Mengen von Proteinen oder Nukleinsäuren durch dieses rein elektrische Messverfahren aufgenommen werden." Mit organischen Werkstoffen, die ähnliche elektronische Eigenschaften wie Galliumarsenid hätten, lägen solche Anwendungen sogar deutlich näher als hoch leistungsfähige Magnetspin-Quantencomputer.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Go Yusa et al., Controlled multiple quantum coherences of nuclear spins in a nanometre-scale device, Nature 434, 1001 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature03456 
• Kommentierender Artikel:
  Robert Tycko, NMR on a chip, Nature 434, 966 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1038/434966b 
• NTT Basic Research Laboratories, Atsugi: 
  http://www.brl.ntt.co.jp/E/index.html 
• Arbeitsgruppe für Quanten-Festkörperphysik: 
  http://www.brl.ntt.co.jp/group/butsuden-g/index.html 
• National Institutes of Health, Bethesda:
  http://www.nih.gov 
• Hintergrund NMR: 
  http://de.wikipedia.org/wiki/NMR 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema NMR finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Festkörperphysik.

Weitere Literatur:

• Ernst, R. R., Bodenhausen, G. & Wokaun, A. Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions (Oxford Univ. Press, Oxford, 1987). 
• Liang, Z. P. & Lauterbur, P. C. Principles of Magnetic Resonance Imaging: A Signal Processing Perspective (IEEE Press, Piscataway, 1999). 
• Kane, B. E. A silicon-based nuclear spin quantum computer. Nature 393, 133 (1998). 
• Levitt, M. H. Spin Dynamics (Wiley, New York, 2002). 
• Nielsen, M. A. & Chuang, I. L. Quantum Computation and Quantum Information (Cambridge Univ.Press, Cambridge, 2003).