Температура клетки: Спинтронный термометр
Исследователи лишь недавно обнаружили, что температура в различных частях биологической клетки может отличаться на величину до 0,96°С. Японские ученые, доложившие об этом открытии, использовали флуоресцентный термометр с пространственным разрешением 200 нм и температурным — в пределах 0,18−0,58 °C (этот параметр меняется в зависимости от внешних условий). Чтобы выполнить более точные измерения и изучить термодинамические процесс, происходящий в живой клетке, исследователи из США разработали новую методику измерения «внутриклеточной температуры» с разрешением порядка сотых долей градуса. Пространственное разрешение их прибора ограничено только размерами зонда.
Ключевым эффектом, используемым для измерений, является влияние на флуоресценцию алмаза дефектов его структуры. Когда один из атомов углерода замещается атомом азота, в соседнем узле кристаллической решетки образуется «прореха» — вакансия. Шесть «оборванных» связей по сути создают виртуальную отрицательно заряженную молекулу с тремя возможными спиновыми состояниями электронов (+1, 0 и -1) — вакансия ведет себя, как такая молекула. Лазерное излучение заставляет виртуальную молекулу флуоресцировать.
В некоторых случаях эффект расщепления энергетических уровней электронов кристаллическим полем приводит к тому, что при различных комбинациях спинов электронов будут различаться и значения их энергии на различных энергетических уровнях — а следовательно, и частоты флуоресценции. Эта зависимость флуоресценции от спина делает «азотные» дефекты алмазов перспективными кандидатами на роль хранителей кубитов — единиц квантовой информации. Частота флуоресценции также зависит от температуры и параметров магнитного поля, что вкупе с возможностью «считывать» данные с отдельных вакансий позволило создать высокоточный измерительный прибор.
При комнатной температуре частота излучения уменьшается примерно на 74 кГц при увеличении температуры на один градус Кельвина. При температуре порядка 500 К разница составляет уже около -140 кГц/K. Температурное разрешение зависит от времени, необходимого для «чтения» данных (фактически времени спиновой когерентности, которая необходима для того, чтобы не потерялась хранимая вакансией информация). Ученые смогли получить когерентность спинов на протяжении более чем 80 микросекунд, добившись семикратного увеличения чувствительности прибора по сравнению с более ранними методами измерений.
Одно из замечательных свойств нового датчика — возможность одновременно измерять не только температуру, но и величину магнитного, электрического полей в таких крошечных системах, как живые клетки или микрожидкостные устройства. В качестве демонстрации работы прибора были измерены температуры внутри отдельных клеток, что позволило определить их жизнеспособность.
По сообщению IEEE Spectrum