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Nuclear magnetic long-lived state relaxation

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Sprigionare il potenziale degli stati di spin nucleare di lunga durata

La previsione dell’esistenza e del ciclo vitale di stati di spin nucleare di lunga durata agevolerà il loro impiego nella risonanza magnetica nucleare e nella risonanza magnetica per immagini.

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Tutti i nuclei atomici sono caricati elettricamente e molti presentano uno spin che li fa comportare come minuscoli magneti. Se un tale nucleo viene posto in un campo magnetico esterno, il suo momento magnetico si allineerà con quello del campo magnetico applicato esternamente. Questo fenomeno, la risonanza magnetica nucleare (NMR), viene sfruttato nella spettroscopia NMR e nella risonanza magnetica per immagini. Lo stato magnetizzato dei nuclei potrebbe essere utilizzato anche per memorizzare informazioni. Nonostante la sua utilità, il magnetismo nucleare è debole e di breve durata, limitando la sensibilità e la «memoria». Con il supporto del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, il progetto NuMagLongRx ha sviluppato strumenti computazionali per prevedere le proprietà di nuovi stati di spin nucleare di lunga durata che supporteranno lo sviluppo di metodi per superare entrambi questi ostacoli.

Gli stati di spin nucleare di lunga durata offrono nuove possibilità nella risonanza magnetica nucleare

Gli stati nucleari di lunga durata furono descritti per la prima volta quasi due decenni fa da Malcolm H. Levitt, coordinatore del progetto NuMagLongRx presso l’Università di Southampton, e dai suoi colleghi. Gli scienziati hanno osservato che l’ordine di spin nucleare in alcune molecole è protetto in una certa misura contro alcuni meccanismi di rilassamento comuni. Ha una durata insolitamente lunga, molto maggiore della normale costante del tempo di rilassamento (in media, circa un secondo o meno). Tali stati possono essere utilizzati per memorizzare l’ordine di spin per un tempo relativamente lungo, fornendo possibilità sperimentali radicalmente nuove.

I supercomputer e la chimica quantistica contribuiscono a prevedere stati di spin nucleare di lunga durata

Sebbene gli stati di spin nucleare di lunga durata siano potenzialmente importanti per numerose applicazioni, la loro esistenza e ciclo vitale si sono rivelati difficili da prevedere in dettaglio. NuMagLongRx ha sviluppato simulazioni e teorie che consentono tali previsioni in condizioni realistiche. Il team ha combinato supercomputer e dinamica molecolare per simulare il movimento delle molecole e la teoria della chimica quantistica per prevedere in che modo questo movimento influenza il comportamento degli stati di spin nucleare di lunga durata. «Quando abbiamo confrontato i risultati della simulazione con le misurazioni sperimentali, ci siamo resi conto che la nostra teoria esistente non spiegava completamente le osservazioni sperimentali. Abbiamo scoperto che un meccanismo largamente ignorato dalla comunità di ricerca è molto più significativo del previsto. Questo è il movimento rotatorio delle molecole in soluzione e dei piccoli campi magnetici che genera, che si accoppiano ai nuclei», spiega Levitt. Quando il team ha incluso questo piccolo termine nella loro descrizione teorica, ha migliorato significativamente l’accordo tra simulazione ed esperimento.

Risultati da record sugli stati nucleari di lunga durata

«Il nostro gruppo ha dimostrato che, in alcuni casi, gli stati nucleari di lunga durata potrebbero memorizzare informazioni per oltre 1 ora in un liquido a temperatura ambiente rispetto a una normale memoria magnetica nella stessa sostanza e nelle stesse condizioni», afferma Levitt. I risultati di NuMagLongRx segnano la prima volta che il rilassamento degli stati di spin nucleare di lunga durata è stato trattato con successo tramite una combinazione di dinamica molecolare e chimica computazionale, andando oltre l’attuale stato dell’arte. Prevedere il tasso di decadimento delle informazioni magnetiche nucleari con una buona affidabilità per molti sistemi, inclusi i metaboliti nei biofluidi, ridurrà al minimo la necessità di lunghe e costose misurazioni in molti casi. Levitt conclude: «Gli stati nucleari di lunga durata sono un eccellente esempio di stati quantistici protetti che sono rilevanti per molti altri campi, tra cui l’informatica quantistica e l’elaborazione delle informazioni quantistiche.» NuMagLongRx ha avvicinato gli stati di lunga durata allo sfruttamento nell’NMR e nelle sue applicazioni.

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