Voordeel uit nadeel: een onverwachte grip op spins
Sommige elementaire deeltjes zoals protonen en elektronen gedragen zich als een soort tollende minimagneetjes. Deze eigenschap heet spin. Spin kan in een magneetveld worden gericht. Met pulsen radiostraling kan de richting van een spin precies worden gedraaid. Deze procedure brengt de spin aan het tollen om de richting van het externe magnetische veld. Dat leidt tot een signaal dat informatie over materie en processen daarin oplevert. Het mechanisme hierachter is de basis voor NMR-spectroscopie en MRI-scanners in ziekenhuizen. De geproduceerde signalen zijn doorgaans erg zwak, reden waarom krachtige magneetvelden nodig zijn om nog zoveel mogelijk spins in dezelfde toestand te krijgen. Onderzoekers van FOM en de Universiteit van Amsterdam hebben nu in theorie een methode bedacht om de spins veel beter te richten. Dit is vooral van belang voor wetenschappelijk onderzoek met NMR en voor een mogelijk type quantumcomputer. Een publicatie van de Amsterdamse onderzoekers hierover verscheen op 21 december 2004 in de on-line versie van het vaktijdschrift Physical Review Letters.
Tollende protonen meten
Elektronen komen altijd in hun eentje voor en bezitten dus altijd een meetbare spin. In atoomkernen met meer dan één proton kunnen de spinrichtingen van de afzonderlijke protonen elkaar zodanig compenseren dat de spin in veel gevallen niet meer te meten is. In water bezit een waterstofatoom uiteraard maar één proton en dus een meetbare spin. Wanneer men dat proton (dus de waterstofkern) met een puls radiostraling bestookt, neemt het een beetje energie uit de radiostraling op en gaat trillen. Dat heet resonantie. Wordt de radiostraling gestopt, dan geeft het proton de opgenomen energie weer af. Dat kan als een zwak signaal worden gemeten en verraadt waar het proton zich bevindt en in welke toestand het verkeert.
Dit verschijnsel van kernspinresonantie (vroeger kernmagnetische resonantie of NMR genoemd) is de basis voor MRI. Levende organismen bestaan voor een groot deel uit water en het activeren van protonen levert allerhande informatie op over processen in bijvoorbeeld het menselijk lichaam. Nu is het signaal van één proton uitermate zwak. Het lichaam bevat wel ontzaglijk veel protonen, maar ook samen is hun signaal nog zwak. Het wordt sterker wanneer de spin van de protonen in dezelfde richting staat. Dat is te bereiken met behulp van een sterk uitwendig magneetveld. MRI-scanners combineren dus een sterk magneetveld met een gepulste radiobron en zeer gevoelige detectieapparatuur om signalen te registreren en tot beelden te reconstrueren.
De NMR-techniek wordt op grote schaal in natuurkundig, scheikundig en biologisch onderzoek gebruikt om afbeeldingen te maken van de staat waarin materie verkeert of als onderdeel van een experiment wordt gebracht. De zwakte van het signaal is en blijft echter een probleem dat nu in de regel alleen met het brute geweld van sterke magneetvelden kan worden aangepakt. Veel aantrekkelijker zou het zijn als er een methode bestond om de spins beter te richten dan nu mogelijk is.
Spins richten met hulp van wanordelijke omgeving
FOM-onderzoekers Armen Allahverdyan en Rubèn Serral Gracià hebben, samen met Theo Nieuwenhuizen, allen werkzaam bij het Instituut voor Theoretische Fysica van de Universiteit van Amsterdam, nu een manier gevonden die in bepaalde gevallen voor wetenschappelijk onderzoek het NMR-signaal aanzienlijk kan versterken. Zoals eerder al opgemerkt zijn de spinrichtingen in de samenstellende atomen van een materiaal willekeurig gericht en de richtingen veranderen onder invloed van elkaar en ook ten gevolge van botsingen tussen de atomen voortdurend willekeurig. De onderzoekers noemen deze mengelmoes van verstoringen het bad wat werkt op een gegeven spin.
Ze hebben nu ontdekt dat het, in geval de koppeling met dat bad sterk genoeg is, met een goed hanteerbare reeks scherpe radiopulsen mogelijk moet zijn om binnen een aanvaardbare tijd de onderlinge invloeden aanzienlijk te beperken. In hun jargon noemen de onderzoekers dit proces afkoelen. Dit is opmerkelijk omdat normaliter een bad coherenties (zoals spins in dezelfde richting) tegenwerkt. Maar toch kan in het bad gedurende voldoende lange tijd op een redelijk eenvoudige manier een overheersende richting van de spins opgewekt worden. Het uiteindelijke resultaat zal een veel sterker NMR-signaal zijn.
Dezelfde techniek kan ook grote betekenis hebben voor een mogelijk type toekomstige quantumcomputer. Daar is een hoge mate van gelijkgerichte spin vereist om te kunnen rekenen met quantumbewerkingen. Het woord is nu aan experimentatoren om te zien of de theoretische oplossing in de praktijk ook kan worden gerealiseerd.
Meer informatie bij dr. Rubèn Serral Gracià of dr. Theo Nieuwenhuizen, telefoon: (020) 525 63 32.