Wykorzystanie potencjału długotrwałych stanów spinowych jąder
Wszystkie jądra atomowe są naładowane elektrycznie, a spin wielu z nich powoduje, że zachowują się jak małe magnesy. Jeśli takie jądro znajdzie się w zewnętrznym polu magnetycznym, jego moment magnetyczny zrówna się z momentem zewnętrznie przyłożonego pola magnetycznego. Zjawisko to, zwane magnetycznym rezonansem jądrowym (ang. nuclear magnetic resonance, NMR), wykorzystywane jest w obrazowaniu metodami spektroskopii NMR i rezonansu magnetycznego. Namagnesowany stan jąder można również wykorzystać do przechowywania informacji. Pomimo swojej użyteczności magnetyzm jąder jest słaby i krótkotrwały, co ogranicza czułość i „pamięć”. Dzięki wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie”, w ramach projektu NuMagLongRx opracowano narzędzia obliczeniowe do przewidywania właściwości nowych długotrwałych stanów spinowych jąder, które będą wspierać rozwój metod pozwalających na pokonanie obu tych przeszkód.
Długotrwałe stany spinowe jąder dają nowe możliwości w zakresie magnetycznego rezonansu jądrowego
Długotrwałe stany jąder zostały po raz pierwszy opisane prawie dwie dekady temu przez koordynatora projektu NuMagLongRx, Malcolma H. Levitta z Uniwersytetu Southampton i jego współpracowników. Naukowcy zaobserwowali, że porządek spinowy jąder w niektórych cząsteczkach jest w jakimś stopniu chroniony przed pewnymi powszechnymi mechanizmami relaksacyjnymi. Odznacza się on niezwykle długim czasem trwania, znacznie dłuższym niż zwykła stała czasowa relaksacji (średnio około sekundy lub mniej). Stany takie można wykorzystać do przechowywania porządku spinowego przez stosunkowo długi czas, co zapewnia zupełnie nowe możliwości eksperymentalne.
Superkomputery i chemia kwantowa pomagają przewidzieć długotrwałe stany spinowe jąder.
Chociaż długotrwałe stany spinowe jąder są potencjalnie ważne dla wielu zastosowań, ich istnienie i czas trwania okazały się trudne do szczegółowego przewidzenia. Zespół projektu NuMagLongRx opracował symulacje i teorię umożliwiające dokonywanie tych przewidywań w realistycznych warunkach. Zespół połączył superkomputery i dynamikę molekularną do symulacji ruchu cząsteczek oraz teorii chemii kwantowej, aby przewidzieć, jak ten ruch wpływa na zachowanie długotrwałych stanów spinowych jąder. „Porównując wyniki symulacji z pomiarami eksperymentalnymi, zdaliśmy sobie sprawę, że nasza dotychczasowa teoria nie wyjaśnia w pełni obserwacji eksperymentalnych. Odkryliśmy, że mechanizm, w dużej mierze bagatelizowany przez społeczność badawczą, ma o wiele większe znaczenie, niż się spodziewano. Chodzi o ruch obrotowy cząsteczek w roztworze i generowane przez niego niewielkie pola magnetyczne, które sprzęgają się z jądrami”, wyjaśnia Levitt. Kiedy zespół włączył ten drobny termin do swojego opisu teoretycznego, znacznie poprawił zgodność między symulacją a eksperymentem.
Rekordowe wyniki długotrwałych stanów jąder
„Nasza grupa wykazała, że w niektórych przypadkach długotrwałe stany jąder mogą przechowywać informacje przez ponad 1 godzinę w cieczy o temperaturze pokojowej, w porównaniu do typowej pamięci magnetycznej w tej samej substancji w tych samych warunkach”, stwierdza Levitt. W wyniku projektu NuMagLongRx udało się po raz pierwszy zastosować połączenie dynamiki molekularnej i chemii obliczeniowej do relaksacji długotrwałych stanów spinowych jąder, co wykracza poza obecny stan wiedzy. Przewidywanie szybkości rozpadu magnetycznej informacji jądra z dużą wiarygodnością dla wielu układów, w tym metabolitów w płynach biologicznych, zminimalizuje w wielu przypadkach konieczność przeprowadzania czasochłonnych i kosztownych pomiarów. Podsumowując, Levitt dodaje: „Długotrwałe stany jąder są doskonałym przykładem chronionych stanów kwantowych, które są istotne dla wielu innych dziedzin, w tym obliczeń kwantowych i kwantowego przetwarzania informacji”. Zespół projektu NuMagLongRx przybliżył nas do wykorzystania długotrwałych stanów w NMR i jego zastosowaniach.
Słowa kluczowe
NuMagLongRx, spin jądrowy, długotrwałe stany spinowe jąder, długotrwałe stany, NMR, magnetyczny rezonans jądrowy, dynamika molekularna, chemia kwantowa, obliczenia kwantowe, kwantowe przetwarzanie informacji
