Исследователи из Университета Райса и Национальной лаборатории Ок-Риджа представили модель магнитного резонанса, основанную на физике, которая объединяет динамику на молекулярном уровне с макроскопическими сигналами магнитно-резонансной томографии (МРТ). Это обещает новое понимание взаимодействия контрастных агентов с молекулами воды.
Новая модель обещает более чёткие снимки
Исследование опубликовано в The Journal of Chemical Physics.
Новый подход, известный как фреймворк собственных мод ЯМР, решает полные физические уравнения, которые можно использовать для интерпретации того, как молекулы воды расслабляются вокруг визуализирующих агентов на основе металлов — задачу, которую предыдущие модели аппроксимировали. Эти результаты могут изменить разработку и применение новых контрастных агентов в медицине и материаловедении.
«Путем более точного моделирования физики релаксации ядерного магнитного резонанса в жидкостях мы получаем инструмент, который не просто предсказывает, но и объясняет явление», — сказал Уолтер Чепмен, профессор химической и биомолекулярной инженерии имени Уильяма У. Акерса. «Это имеет решающее значение, когда от точного научного понимания зависят жизни людей и технологии».
Во время МРТ-сканирования для повышения чёткости изображения часто используются контрастные агенты
Эти агенты, обычно основанные на ионе гадолиния, заключённом в органическую оболочку, изменяют способ отклика близлежащих молекул воды на магнитные поля. Это изменение, известное как релаксация, усиливает контраст на изображениях тканей.
До сих пор большинство научных моделей, описывающих этот процесс, основывались на значительных упрощениях, трактуя сложные молекулярные движения с ограниченной точностью, что ограничивало их прогностическую точность. Исследователи стремились улучшить ситуацию.
«Наша предыдущая работа использовала детальное моделирование для изучения взаимодействия молекул воды с этими контрастными агентами», — сказал Дилипкумар Астхагири, старший учёный в области вычислительной биомедицины в Национальном центре вычислительных наук в Национальной лаборатории Ок-Риджа. «В настоящей статье мы разработали всеобъемлющую теорию для интерпретации предыдущих симуляций молекулярной динамики и экспериментальных данных. Теория, однако, является общей и может быть использована для понимания релаксации ЯМР в жидкостях в целом».
Спор о направлении спина электронов на поверхности золота решён после 20 лет
Исследователи из Института молекулярных наук (IMS) окончательно разрешили спор, длившийся два десятилетия, относительно направления спина электронов на поверхности золота.
Используя современный фотоэлектронно-импульсный микроскоп (PMM) в синхротронной установке UVSOR, команда получила полные двумерные снимки состояния поверхности Shockley на Au(111), отображая как спин электрона (его внутреннее магнитное свойство), так и форму его орбиты в проекционном измерении. Работа опубликована в Journal of the Physical Society of Japan.
Эксперимент однозначно подтвердил эффект Рашбы — где движение электрона связано с его спином — присвоив часовой стрелке (cw) спиновую текстуру внешней электронной полосе и против часовой стрелки (ccw) текстуру внутренней полосе, если смотреть со стороны вакуума.
Эта работа создаёт надёжный, заслуживающий доверия справочный набор данных для спин-разрешённой фотоэмиссии, прокладывая путь для разработки высокоэффективных спинтронных устройств.
На поверхности благородных металлов, таких как золото, слой электронов ограничен верхними атомными слоями, образуя квантовое состояние, известное как «состояние поверхности Шокли». Поскольку поверхность нарушает симметрию кристалла, создаётся сильное электрическое поле, перпендикулярное поверхности.
Это электрическое поле вызывает эффект Рашбы, который блокирует направление спина электрона перпендикулярно его направлению движения и расщепляет электронное состояние на два отдельных кольца электронов с противоположными направлениями спина в плоскости.
Из-за различий в экспериментальных установках, системах координат и конвенциях анализа предыдущие отчёты в литературе давали два противоречивых назначения для того, какое кольцо вращается по часовой стрелке (cw), а какое — против часовой стрелки (ccw).
Команда IMS стремилась решить этот фундаментальный вопрос, используя усовершенствованную высокоэффективную технику визуализации, которая преодолевает эти предыдущие неоднозначности.
Эксперименты использовали двойной полусферический анализатор PMM в синхротронной установке UVSOR, уникальный аппарат, способный одновременно захватывать широкую двумерную карту импульса и энергии электронов. Для обнаружения спина перед двухмерным спиновым фильтром (кристалл Ir(001)) размещён спиновый ротатор.
Спиновый ротатор имеет важное значение, поскольку он позволяет получать два изображения с противоположной чувствительностью к спину без перемещения образца, что обеспечивает быстрое картирование со знаковым калиброванием.
Для подтверждения точной детекции поляризации спина электрона и её знака калибровка системы была проверена с использованием ферромагнитного эталонного образца Ni(110), гарантируя, что обнаруженный спиновый сигнал действительно соответствует абсолютному физическому направлению (большинство/вверх или меньшинство/вниз).
Широкопольные разностные изображения, подчёркивающие контраст между электронами с противоположными спинами, однозначно подтвердили давно оспариваемое назначение спина: внешнее электронное кольцо вращается по часовой стрелке (cw), а внутреннее — против часовой стрелки (ccw), если смотреть со стороны вакуума.
Более того, освещая поверхность s-поляризованным ВУФ-светом при нормальном падении, команда определила доминирующие 6s и 6p атомные орбитали, составляющие поверхностное состояние. Эта идентификация орбитали была подтверждена подтверждением правила отбора орбитали: интенсивность фотоэлектронов падала до нуля для электронов, испускаемых перпендикулярно вектору электрического поля света.
Это открытие напрямую демонстрирует, как специфическая форма орбитали электрона (его квантовая симметрия) определяет его взаимодействие с поляризацией света, доказывая фундаментальное электронное свойство поверхностного состояния.
Предоставляя окончательное, основанное на изображениях назначение как спина, так и орбитальных текстур, эта работа создаёт заслуживающий доверия квантовый эталон для будущих исследований в области материаловедения.