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Nuclear magnetic long-lived state relaxation

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Libérer le potentiel des états de spin nucléaire à longue durée de vie

Prédire l’existence et la durée de vie des états de spin nucléaire à longue durée de vie facilitera leur exploitation en résonance magnétique nucléaire et en imagerie par résonance magnétique.

Recherche fondamentale

Tous les noyaux atomiques sont chargés électriquement, et beaucoup d’entre eux possèdent un spin qui les fait se comporter comme de petits aimants. Si un tel noyau est placé dans un champ magnétique externe, son moment magnétique s’alignera sur celui du champ magnétique appliqué à l’extérieur. Ce phénomène, la résonance magnétique nucléaire (RMN), est exploité en spectroscopie RMN et en imagerie par résonance magnétique. L’état magnétisé des noyaux peut également être utilisé pour stocker des informations. Malgré son utilité, le magnétisme nucléaire est faible et de courte durée, ce qui limite la sensibilité et la «mémoire». Avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie, le projet NuMagLongRx a mis au point des outils de calcul pour prédire les propriétés des nouveaux états de spin nucléaire à longue durée de vie qui permettront de développer des méthodes pour surmonter ces deux obstacles.

Les états de spin nucléaire à longue durée de vie offrent de nouvelles possibilités en résonance magnétique nucléaire

Les états nucléaires à longue durée de vie ont été décrits pour la première fois il y a près de deux décennies par le coordinateur du projet NuMagLongRx, Malcolm H. Levitt, de l’Université de Southampton, et ses collègues. Les scientifiques ont observé que l’ordre du spin nucléaire, dans certaines molécules, était protégé dans une certaine mesure contre certains mécanismes de relaxation courants. Il a une durée de vie exceptionnellement longue, bien supérieure à la constante de temps de relaxation ordinaire (en moyenne, environ une seconde ou moins). Ces états peuvent être utilisés pour stocker l’ordre du spin pendant une période relativement longue, ce qui offre des possibilités expérimentales radicalement nouvelles.

Les supercalculateurs et la chimie quantique aident à prédire les états de spin nucléaire à longue durée de vie

Bien que les états de spin nucléaire à longue durée de vie soient potentiellement importants pour de nombreuses applications, leur existence et leur durée de vie se sont avérées difficiles à prévoir en détail. NuMagLongRx a développé des simulations et une théorie permettant ces prédictions dans des conditions réalistes. L’équipe a combiné des supercalculateurs et la dynamique moléculaire pour simuler le mouvement des molécules et la théorie de la chimie quantique pour prédire comment ce mouvement influence le comportement des états de spin nucléaire à longue durée de vie. «En comparant les résultats de la simulation avec les mesures expérimentales, nous avons réalisé que notre théorie existante n’expliquait pas entièrement les observations expérimentales. Nous avons découvert qu’un mécanisme largement négligé par la communauté des chercheurs est beaucoup plus important que prévu. Il s’agit du mouvement de rotation des molécules en solution et des petits champs magnétiques qu’il génère, qui se couplent aux noyaux», explique Malcolm H. Levitt. Lorsque l’équipe a inclus ce petit terme dans sa description théorique, elle a considérablement amélioré l’accord entre la simulation et l’expérience.

Des résultats records sur les états nucléaires à longue durée de vie

«Notre groupe a démontré que, dans certains cas, les états nucléaires à longue durée de vie peuvent stocker des informations pendant plus d’une heure dans un liquide à température ambiante, par rapport à une mémoire magnétique normale dans la même substance et dans les mêmes conditions», déclare Malcolm H. Levitt. Les résultats de NuMagLongRx marquent la première fois que la relaxation des états de spin nucléaire à longue durée de vie a été traitée avec succès par une combinaison de dynamique moléculaire et de chimie computationnelle, allant au-delà de l’état actuel des connaissances. Prédire le taux de décroissance des informations magnétiques nucléaires avec une bonne fiabilité pour de nombreux systèmes, notamment les métabolites dans les biofluides, minimisera le besoin de mesures longues et coûteuses dans de nombreux cas. Malcolm H. Levitt conclut: «Les états nucléaires à longue durée de vie sont un excellent exemple d’états quantiques protégés qui sont pertinents pour de nombreux autres domaines, notamment l’informatique quantique et le traitement de l’information quantique.» NuMagLongRx a rapproché les états à longue durée de vie de l’exploitation en RMN et de ses applications.

Mots‑clés

NuMagLongRx, spin nucléaire, états de spin nucléaire à longue durée de vie, états à longue durée de vie, RMN, résonance magnétique nucléaire, dynamique moléculaire, chimie quantique, calcul quantique, traitement de l’information quantique

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