​重大科學突破：實現最小核磁共振成像，能對單個原子成像！

梨花女子大學基礎科學研究所量子納米科學中心(QNS)的研究人員，進行了世界上最小的核磁共振成像(MRI)，取得了重大的科學突破。在與美國同事的國際合作中，科學家們用新技術來可視化單個原子的磁場。核磁共振成像作為診斷成像的一部分，在醫院中例行進行。核磁共振成像檢測的是人體中紡錘波的密度，紡錘波是電子和質子中的基本磁，傳統上，核磁共振掃描需要數十億個自旋。

在2019年7月1日發表在《自然物理》上的新發現表明，對於表面上的單個原子來說，這一過程現在也是可能的。為了做到這一點，研究小組使用了掃描隧道顯微鏡，該顯微鏡由原子尖的金屬尖端組成，通過掃描尖端表面，研究人員可以對單個原子成像和探測。在這項工作中研究的兩種元素，鐵和鈦，都是磁性。通過精確地製備樣品，原子在顯微鏡下很容易看得見。然後，研究人員用顯微鏡的尖端像核磁共振成像儀一樣。

• （圖示）明亮區域標誌著原子磁場相同的位置

以前所未有的解析度繪製出原子產生的三維磁場，為了做到這一點，研究人員把另一個自旋團附在顯微鏡鋒利的金屬尖上。與普通磁鐵類似，這兩種自旋會相互吸引或排斥，這取決於它們的相對位置。通過將自旋團簇掃過表面的原子，研究人員能夠繪製出磁場相互作用的圖譜。該研究的第一作者、QNS的菲利普·威爾克博士說：結果表明，測量到的磁相互作用取決於兩個自旋的性質，一個在尖端，一個在樣本上。

例如，我們看到的鐵原子信號與鈦原子信號有很大不同。這使得科學家們能夠通過磁場特徵來區分不同種類的原子，同時也展現了這項技術非常強大。研究人員計劃用單原子核磁共振成像來繪製分子和磁性材料等更複雜結構中的自旋分布。許多磁現象發生在納米尺度上，包括最新一代的磁存儲設備。研究人員現在計劃用顯微鏡下的核磁共振成像研究各種系統。

• （圖示）單個磁性原子沉積在氧化鎂表面，由掃描隧道顯微鏡的磁頭成像，這也使得研究人員可以對原子磁場進行核磁共振掃描

在納米尺度上分析磁性結構的能力可以幫助研究人員開發新的材料和藥物。此外，研究小組希望利用這種核磁共振成像來表徵和控制量子系統。這些對於未來的計算方案(也稱為量子計算)非常有意義。相信大多數人對這些結果感到非常興奮，這無疑是這個領域的一個裡程碑，對未來研究具有非常重要的意義，能夠以以前無法想像的精度繪製自旋及其磁場圖，讓我們對物質結構有了更深入的了解，開闢了基礎研究的新領域！

博科園｜研究/來自：基礎科學研究所

參考期刊《自然物理學》

DOI: 10.1038/s41567-019-0573-x

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