Магнитометрия молекулярного разрешения

Какие существуют магнитометры? Какими недостатками они обладают? Как используют центры окраски в алмазе для измерения магнитного поля? И какие задачи помогут решить новые магнитометры? Об этом рассказывает кандидат физико-математических наук Алексей Акимов.

У нас есть сверхпроводящие магнитометры, их называют «СКВИДы». С их помощью можно делать такие вещи, как, например, томограмму головного мозга. Это не так страшно, как звучит. На самом деле это попытка построить объемную модель вашего мозга, используя очень интересное явление под названием «электронный парамагнитный резонанс». Подумайте: чтобы сделать картинку чего-то объемного, надо, чтобы это объемное было прозрачным, но чтобы оно и умело отражать ваш сигнал или как-то менять его пропускание. Это плохо совместимые вещи. Но наличие у всех частиц магнитного момента — у электронов, у ядер — позволяет использовать резонансные свойства этого магнитного момента; изменяя, переворачивая этот магнитик, менять пропускание какого-то сигнала.

Оказалось, что, если использовать центры окраски в алмазе, если использовать методы записи и считывания информации в них, которые мы научились делать, и смотреть, насколько эти методы портятся за счет внешнего магнитного поля, мы можем реализовать большое разрешение. Просто потому, что мы можем взять маленький алмаз, наноалмазик размером, скажем, 10-20 нанометров, и это наше разрешение. С другой стороны, мы можем достичь большой чувствительности. Она не будет составлять 10-11 от земного поля, будет, может быть, 10-4, 10-6, возможно, чуть-чуть лучше. Потенциально, наверное, можно достичь и таких больших чувствительностей, но дело в том, что 10-4 от земного поля — это поле, которое дает один электрон на расстоянии 10 нанометров.

В настоящее время ведутся активные попытки — я был их участником, они проводились и проводятся до сих пор в Гарварде — по внедрению наноалмазов в живые клетки. Это проблема еще далекая от решения. То есть алмазы успешно вводят в клетки в качестве красителей, когда нам надо просто подсветить определенное место, здесь нет проблем. Но с измерением магнитных полей все далеко не так просто, потому что алмаз, хоть и инертный, и клетка не очень реагирует на него, но тем не менее он является геометрической фигурой со своей поверхностью, которая начинает взаимодействовать со всем, что есть в нашей клетке, как только там появляется алмаз. И это взаимодействие далеко не всегда однозначно.