Natuurkundigen vinden verborgen 'energietrap' in diamant-sensor, met winst voor medisch onderzoek
Soms zit de belangrijkste informatie verstopt in een piepklein foutje in een kristal. In diamant bestaat zo'n foutje: een plek waar een koolstofatoom ontbreekt, vlak naast een stikstofatoom. Natuurkundigen noemen dit een NV-centrum, kort voor "nitrogen-vacancy" (stikstof-vacature). Dit defect is zo gevoelig voor magneetvelden dat het dienst kan doen als een piepklein kompasje, bijvoorbeeld om magnetische signalen in levende cellen te meten.
Om dat kompasje af te lezen, schijnen onderzoekers er licht op en meten ze hoeveel licht het terugstuurt. Dat heet "spinuitlezing": de spin is een soort magnetisch draairichting van het defect, vergelijkbaar met een heel klein kompasnaaldje dat naar boven of naar beneden kan wijzen. Het probleem is dat dit uitlezen niet altijd even goed werkt. Een deel van het licht duwt het defect namelijk per ongeluk naar een andere, neutrale toestand, waarbij een elektron compleet wegschiet. Dat verstoort de meting.
Een onbekende tussenstop
Een onderzoeksteam ontdekte nu dat dit neutrale defect daarna in een nog onbekende tussentoestand terechtkomt: de zogeheten "quartet-toestand". Tot nu toe wist niemand precies hoeveel energie daarvoor nodig was. Met een speciale infraroodlaser, waarvan je de golflengte heel nauwkeurig kunt instellen, hebben de onderzoekers dit nu gemeten.
Ze gebruikten een techniek met twee lichtdeeltjes (fotonen) tegelijk, een soort dubbele lichtstoot die precies genoeg energie geeft om het defect over een drempel te duwen. Zo vonden ze dat deze quartet-toestand begint bij een energie van 1,23 elektronvolt, met een nauwkeurigheid van 0,02 elektronvolt. Vergeleken met de energie van de grondtoestand van het neutrale defect, ligt de quartet-toestand daar 0,54 elektronvolt boven, met een marge van 0,04 elektronvolt.
Beter zicht in lichaamsweefsel
Deze precieze meting is meer dan een naamkaartje voor een onbekende energietoestand. Het vertelt onderzoekers ook bij welke golflengte licht je het beste kunt werken om de spin zo scherp mogelijk af te lezen. Dat blijkt te liggen tussen 1060 en 1075 nanometer, een duizendste van een duizendste millimeter. Dit gebied valt precies in het zogeheten "weefselvenster": een band infrarood licht die relatief makkelijk door huid en weefsel heen dringt zonder al te veel verstrooid te raken.
Vergeleken met het eerder gebruikte golflengtegebied van 1030 tot 1040 nanometer, levert deze nieuwe instelling 26 tot 37 procent meer meetgevoeligheid op. Voor toepassingen zoals het meten van magnetische signalen in cellen of weefsel, met een diamantsensor die net buiten of in het lichaam zit, is dat een flinke stap vooruit.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit is een nauwkeurige meting door één onderzoeksteam, nog geen praktische medische toepassing. Er is nog geen bevestiging door andere laboratoria. De verbeterde gevoeligheid is aangetoond in een gecontroleerde meetopstelling, niet in een werkend medisch apparaat of bij patiënten. Of en wanneer dit daadwerkelijk in ziekenhuizen of onderzoekslabs wordt ingezet, is nog niet duidelijk.