Détection des noyaux individuels

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Une représentation artistique des différences nucléiques minimales détectables grâce à la méthode de résonance quadripolaire nucléaire décrite dans le nouvel article.

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Crédit : Mathieu Ouellet

Depuis les années 1950, les scientifiques ont utilisé des ondes radio pour identifier les “empreintes” moléculaires de matériaux inconnus, facilitant des tâches aussi variées que la réalisation d’IRM sur le corps humain ou la détection d’explosifs dans les aéroports.

Cependant, ces méthodes reposent sur des signaux moyennés provenant de trillions d’atomes, ce qui rend impossible la détection de petites variations entre des molécules individuelles. Ces limitations entravent des applications dans des domaines comme la recherche sur les protéines, où de légères différences de forme peuvent déterminer la santé ou la maladie.

Perspectives Subatomiques

Des ingénieurs de l’École d’Ingénierie et des Sciences Appliquées de l’Université de Pennsylvanie (Penn Engineering) ont utilisé des capteurs quantiques pour réaliser une variation révolutionnaire de la spectroscopy de résonance quadripolaire nucléaire (NQR), traditionnellement utilisée pour détecter des drogues et des explosifs ou analyser des produits pharmaceutiques.

Décrit dans Nano Letters, cette nouvelle méthode est si précise qu’elle peut détecter les signaux NQR d’atomes individuels — un exploit jadis considéré comme inaccessibile. Cette sensibilité sans précédent ouvre la voie à des avancées dans des domaines tels que le développement de médicaments, où comprendre les interactions moléculaires au niveau atomique est essentiel.

“Cette technique nous permet d’isoler des noyaux individuels et de révéler de minuscules différences dans des molécules considérées comme identiques,” explique Lee Bassett, professeur associé en ingénierie électrique et des systèmes, directeur du Quantum Engineering Laboratory de Penn et auteur principal de l’article. “En nous concentrant sur un seul noyau, nous pouvons découvrir des détails sur la structure et la dynamique moléculaires qui étaient auparavant cachés. Cette capacité nous permet d’étudier les éléments constitutifs du monde naturel à une échelle totalement nouvelle.”

Une Découverte Inattendue

La découverte est née d’une observation inattendue durant des expériences de routine. Alex Breitweiser, jeune diplômé en physique de la Penn et co-auteur principal de l’article, travaillait avec des centres de vacance azote (NV) dans des diamants — des défauts à l’échelle atomique souvent utilisés en détection quantique — lorsqu’il a remarqué des motifs inhabituels dans les données.

Les signaux périodiques semblaient être un artefact expérimental, mais persistaient malgré des trouvailles approfondies. En se référant à des manuels des années 1950 et 1960 sur la résonance magnétique nucléaire, Breitweiser a identifié un mécanisme physique expliquant ce qu’ils observaient, mais qui avait été précédemment écarté comme insignifiant sur le plan expérimental. 

Les avancées technologiques ont permis à l’équipe de détecter et de mesurer des effets qui étaient jadis hors d’atteinte pour les instruments scientifiques. “Nous avons réalisé que nous ne venions pas seulement d’observer une anomalie,” déclare Breitweiser. “Nous pénétrions dans un nouveau régime de la physique que nous pouvons explorer grâce à cette technologie.”

Précision Inégalée

La compréhension de cet effet a été approfondie grâce à la collaboration avec des chercheurs de l’Université de Technologie de Delft aux Pays-Bas, où Breitweiser avait effectué des recherches sur des sujets connexes dans le cadre d’une bourse internationale. En combinant expertise en physique expérimentale, détection quantique et modélisation théorique, l’équipe a créé une méthode capable de capturer des signaux atomiques uniques avec une précision extraordinaire.

“C’est un peu comme isoler une seule ligne dans un gigantesque tableau de données,” explique Mathieu Ouellet, récent diplômé en ESE et co-auteur principal de l’article. “La NQR traditionnelle produit quelque chose d’approximatif — vous obtenez une vision globale des données, mais rien sur les points de données individuels. Avec cette méthode, c’est comme si nous avions découvert toutes les données derrière cette moyenne, isolant le signal d’un noyau et révélant ses propriétés uniques.”

Interprétation des Signaux

Comprendre les fondements théoriques du résultat expérimental inattendu a nécessité des efforts significatifs. Ouellet a dû tester soigneusement diverses hypothèses, réalisant des simulations et des calculs pour faire correspondre les données aux causes potentielles. “C’est un peu comme établir un diagnostic médical basé sur des symptômes,” explique-t-il. “Les données suggèrent quelque chose d’inhabituel, mais il existe souvent plusieurs explications possibles. Cela a pris un certain temps pour arriver au bon diagnostic.”

En regardant vers l’avenir, les chercheurs voient un potentiel immense pour leur méthode afin de relever des défis scientifiques cruciaux. En caractérisant des phénomènes qui étaient auparavant cachés, la nouvelle méthode pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre les mécanismes moléculaires qui façonnent notre monde.

Cette étude a été réalisée à l’École d’Ingénierie et des Sciences Appliquées de l’Université de Pennsylvanie et soutenue par la National Science Foundation (ECCS-1842655, DMR-2019444). Un soutien supplémentaire provient du Natural Sciences and Engineering Research Council du Canada, grâce à une bourse de doctorat décernée à Ouellet, et d’IBM, par le biais d’une bourse de doctorat accordée à Breitweiser.

Les co-auteurs supplémentaires comprennent Tzu-Yung Huang, ancien étudiant en doctorat en ESE à Penn Engineering, aujourd’hui chez Nokia Bell Labs, et Tim H. Taminiau à l’Université de Technologie de Delft.


Notre Opinion Tech

Cette avancée technologique soulève des questions fascinantes sur les applications futures des capteurs quantiques en recherche fondamentale et appliquée. En fluidifiant notre capacité à détecter des différences moléculaires, nous pourrions bien être à l’aube de découvertes qui transformeront notre compréhension des interactions biologiques à l’échelle atomique. L’avenir de la recherche médicale pourrait être redéfini par cette approche, permettant d’aborder des problématiques jusque-là inaccessibles.

Bon à savoir : La résonance quadripolaire nucléaire, qui est le cœur de cette recherche, constitue un outil puissant pour étudier la structure des matériaux et pourrait révolutionner des domaines allant de la médecine à l’ingénierie des matériaux.




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