物理学者は個々の原子のMRIスキャンを行いました

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物理学者は個々の原子のMRIスキャンを行いました
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Anonim
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科学者たちは、磁気共鳴画像法を使用して記録的な小さな物体を研究しました-彼らは個々の原子の磁気特性を決定することができました。この方法の開発により、スピンの相互作用と平面分子の磁気特性を直接研究することが可能になると、著者らはジャーナルNaturePhysicsに書いています。

磁気共鳴画像法は、核磁気共鳴の現象に基づいて物体の断層像(層状画像)を作成する方法です。それは、外部磁場に対する非ゼロの磁気モーメントを持つ原子核の反応で構成されています。その結果、そのような原子核を含む体内の画像を取得することが可能になります。

原子核の磁気モーメントは、原子核に入る核子のスピン、つまり陽子と中性子によって決定されます。すべての核子はスピン1/2を持っており、異なる種が平行スピンと対になることはエネルギー的に有利です。ただし、陽子と中性子はどちらもフェルミ粒子を指しますが、同一の粒子ではないため、これはパウリの排他原理と矛盾しません。

核子の数のパリティに応じて、核子の特性は異なります。陽子と中性子の両方が偶数のシステムの場合、全スピン、したがって磁気モーメントは、励起されていない状態ではゼロに等しくなります。その他の場合、スピンと磁気モーメントはゼロではありません。たとえば、通常の水素の原子核には不対陽子が1つしかないため、スピンは1/2ですが、重水素のより重い同位体には1つの中性子と1つの陽子があるため、スピンは1になります。同時に、もう1つの中性子(トリチウム核)を追加すると、中性粒子のスピンが反対方向に向くようになるため、核の総スピンは再び1/2になります。

外部の一定の磁場の存在下で、スピンはその力線の方向に沿って整列します。次に、交番磁場の追加パルスの助けを借りて、スピンは平衡状態から外されます。その後、それらが前の位置に緩和すると、核は測定可能な信号を発し、それによりそれらの存在を決定することが可能になります。通常、数百万から数十億の核、通常は水素が、生体組織や材料のサンプルの研究に使用されます。

米国と韓国の科学者は、はるかに小さな物体の研究を可能にする修正された核磁気共鳴画像技術について説明しています。この目的のために、著者らは、トモグラフの動作原理を走査型トンネル顕微鏡と組み合わせました。これは、サンプルと薄い顕微鏡の先端の間を流れるトンネル電流による導電性物体の浮き彫りを研究できるツールです。

物理学者は、基板上に配置された鉄とチタンの原子を研究しました。個々の原子はトンネル顕微鏡自体を通して見ることができましたが、著者はその先端を磁気共鳴画像装置として使用しました。これにより、粒子によって生成された磁場を非常に高い空間分解能でマッピングすることができました。いくつかの鉄原子が磁気プローブとして針の先端に配置されました。

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単一のチタン原子の研究結果。下-走査型トンネル顕微鏡の画像、中央-水平面の磁場の断層写真、側面-垂直面の磁場の断層写真。

研究者らは、電子スピンが励起される核共鳴と同様の効果である電子常磁性共鳴の効果を使用しました。 RFパルスの照射は必要な摂動を生み出し、その後緩和により個々の原子の磁場を層ごとに決定することが可能になりました。

「測定された磁気相互作用は、針の先端にある両方のスピンの特性に依存し、研究されたものであることが判明しました」と、アルマデンにあるIBM ResearchCenterの筆頭著者PhilipWillkeは述べています。 「特に、鉄原子の信号はチタン原子によって生成される信号とは大きく異なるため、磁場の特性に基づいてそれらを区別することができ、この方法は非常に効果的です。」

磁気トモグラフィーの助けを借りて、人間の病気を診断し、物理的な観点から興味深い材料を研究するだけでなく、野菜や果物を断層撮影に入れるなど、美しい写真を撮ることもできます。材料「磁気および野菜トモグラフィー」。また、核磁気共鳴により、超流動ヘリウム3を詳細に研究し、その中のキラルドメインを見つけることができました。

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