Температура клітини: Спінтронний термометр

Вчені сконструювали термометр, здатний вловити різницю температур у різних частинах живої клітини.

Дослідники лише недавно виявили, що температура в різних частинах біологічної клітини може відрізнятися на величину до 0,96 ° С. Японські вчені, які доповіли про це відкриття, використовували флуоресцентний термометр з просторовою роздільною здатністю 200 нм і температурною - в межах 0,18 − 0,58 ° C (цей параметр змінюється залежно від зовнішніх умов). Щоб виконати більш точні вимірювання і вивчити термодинамічні процес, що відбувається в живій клітці, дослідники з США розробили нову методику вимірювання «внутрішньоклітинної температури» з роздільною здатністю близько сотих часток градуса. Просторовий дозвіл їх приладу обмежено тільки розмірами зонда.

Ключовим ефектом, що використовується для вимірювань, є вплив на флуоресценцію алмазу дефектів його структури. Коли один з атомів вуглецю заміщується атомом азоту, в сусідньому вузлі кристалічної решітки утворюється «проріха» - вакансія. Шість «обірваних» зв'язків по суті створюють віртуальну негативно заряджену молекулу з трьома можливими спиновими станами електронів (+ 1, 0 і -1) - вакансія поводиться, як така молекула. Лазерне випромінювання змушує віртуальну молекулу флуоресціювати.

У деяких випадках ефект розщеплення енергетичних рівнів електронів кристалічним полем призводить до того, що при різних комбінаціях спинів електронів будуть розрізнятися і значення їх енергії на різних енергетичних рівнях - а отже, і частоти флуоресценції. Ця залежність флуоресценції від спину робить «азотні» дефекти алмазів перспективними кандидатами на роль зберігачів кубітів - одиниць квантової інформації. Частота флуоресценції також залежить від температури і параметрів магнітного поля, що укупі з можливістю «зчитувати» дані з окремих вакансій дозволило створити високоточний вимірювальний прилад.

При кімнатній температурі частота випромінювання зменшується приблизно на 74 кГц при збільшенні температури на один градус Кельвіна. При температурі близько 500 К різниця становить вже близько -140 кГц/К. Температурна роздільна здатність залежить від часу, необхідного для «читання» даних (фактично часу спинової когерентності, яка необхідна для того, щоб не загубилася зберігана вакансією інформація). Вчені змогли отримати когерентність спинів протягом більш ніж 80 мікросекунд, домігшись семиразового збільшення чутливості приладу порівняно з більш ранніми методами вимірювань.

Одна з чудових властивостей нового датчика - можливість одночасно вимірювати не тільки температуру, а й величину магнітного, електричного полів у таких крихітних системах, як живі клітини або мікрожидкісткові пристрої. В якості демонстрації роботи приладу були вимірені температури всередині окремих клітин, що дозволило визначити їх життєздатність.

За повідомленням IEEE Spectrum