Imagina un carrusel donde no viajan niños, sino diminutas agujas magnéticas dentro de polvo de diamante. Normalmente estas agujas apuntan en direcciones caóticas y su señal se pierde entre el ruido. Pero si inclinas el carrusel en un ángulo especial y lo iluminas con un láser verde, las agujas comienzan a alinearse en una sola dirección. Eso es exactamente lo que hicieron los físicos con partículas de diamante, haciéndolas girar a un ángulo de 54,74° respecto al campo magnético.
El secreto reside en los defectos del diamante llamados centros NV. Son lugares donde un átomo de nitrógeno se encuentra junto a una vacante en la red cristalina. Bajo la acción de la luz, este defecto se polariza, es decir, su electrón pasa a un estado con una dirección de espín definida. Luego, esta polarización se transfiere a los núcleos vecinos de carbono-13. Antes, esta transferencia requería pulsos de microondas, difíciles de generar y controlar. Ahora, la rotación de la muestra reemplaza a las microondas.
En el experimento se usaron dos tipos de partículas de diamante: unas submicrométricas con 20% de carbono-13 y unas micrométricas comerciales con contenido natural de 1,1%. Se colocaron en el rotor de un espectrómetro de RMN, se hicieron girar a frecuencias de hasta 6 kHz y se iluminaron con un láser de longitud de onda 532 nm. La amplificación máxima de la señal alcanzó 411 veces para la muestra natural a una frecuencia de 1 kHz. Para la muestra enriquecida, la amplificación fue de 280 veces a 2 kHz. La polarización estacionaria alcanzó el 0,23% y el 0,12% respectivamente, casi un orden de magnitud por encima de los resultados previos para micro y nanodiamantes.
La dependencia de la amplificación con la frecuencia de rotación resultó ser resonante: primero la señal crece, alcanza un máximo y luego cae. Esto se explica porque, si la rotación es demasiado rápida, los centros NV no tienen tiempo de transferir la polarización a los núcleos. El modelo de tres espines (centro NV, nitrógeno individual P1 y núcleo de carbono-13) reprodujo el patrón observado. Mostró que los cruces de niveles surgen precisamente debido a la rotación, no a un cambio del campo magnético.
Ahora que el polvo de diamante ha aprendido a acumular polarización nuclear sin microondas, se abre el camino hacia una RMN de alta sensibilidad a temperatura ambiente. El objetivo más cercano es transferir la polarización del carbono-13 dentro del diamante a núcleos externos, por ejemplo protones en la superficie. Las estimaciones indican que para ello se necesitan partículas de menos de 30 nanómetros. Entonces el carrusel podrá no solo alinear sus propias agujas, sino también transmitir su orden a las moléculas vecinas.
El ángulo de 54,74° entre el eje de rotación y el campo magnético se llama mágico porque anula las interacciones dipolares entre núcleos. Precisamente ese ángulo hace que más del 99,9% de los centros NV atraviesen los puntos de cruce de niveles dos veces por cada vuelta del rotor.