Kernspin: het kompasnaaldje in de atoomkern dat MRI-scans en kwantumcomputers mogelijk maakt
Diep in elke atoomkern schuilt een eigenschap die klinkt als iets uit een natuurkundeboek, maar die intussen een rol speelt in ziekenhuizen en kwantumlaboratoria: kernspin. Je kunt het je voorstellen als een ontzettend klein kompasnaaldje dat in elke atoomkern verstopt zit. Net als een echt kompasnaaldje reageert dit 'naaldje' op een magneetveld, en precies dat gedrag kun je meten en gebruiken.
Het meest bekende voorbeeld loopt via de MRI-scanner in het ziekenhuis. Die machine maakt gebruik van de kernspin van waterstofatomen, die overal in het lichaam voorkomen omdat water en vet er vol van zitten. Door het lichaam in een sterk magneetveld te leggen en vervolgens met radiogolven te 'porren' aan die kernspins, ontstaat een signaal waaruit een computer een gedetailleerd beeld van organen en weefsels kan reconstrueren, zonder dat er röntgenstraling nodig is.
Wat is het precies?
Spin is een kwantummechanische eigenschap van deeltjes zoals protonen en neutronen, de bouwstenen van een atoomkern. Het woord suggereert dat de kern letterlijk ronddraait zoals een tolletje, maar dat is een vereenvoudigde voorstelling: spin is eigenlijk een intrinsieke, niet-klassieke eigenschap. Het praktische gevolg is wel heel concreet: een kern met spin gedraagt zich als een klein magneetje, met een eigen magnetisch moment.
Leg je zo'n kern in een sterk extern magneetveld, dan gaat dat magneetje zich daarnaar richten, net als een kompasnaald zich richt naar het noorden. Maar het blijft niet stilstaan: het gaat tollen rond de richting van het veld, een beweging die precessie heet. De snelheid van dat tollen, de Larmorfrequentie, hangt af van de sterkte van het magneetveld en van het type atoomkern.
Als je nu precies op die Larmorfrequentie een korte radiogolfpuls stuurt, kun je de kernspins laten 'omklappen' naar een andere stand. Zodra de puls stopt, vallen de spins geleidelijk terug naar hun oorspronkelijke stand, een proces dat relaxatie heet. Tijdens het terugvallen zenden ze zelf een heel zwak radiosignaal uit, dat met gevoelige antennes te meten is.
De tijd die dat terugvallen kost, wordt uitgedrukt in twee grootheden, T1 en T2, de relaxatietijden. Die tijden verschillen per type weefsel of moleculaire omgeving: vet relaxeert anders dan hersenweefsel, en hersenweefsel weer anders dan een tumor. Dat verschil in relaxatietijd is precies waar het contrast in een MRI-beeld uit voortkomt. Het hele meetprincipe heet Nucleaire Magnetische Resonantie (NMR); toegepast op het menselijk lichaam voor beeldvorming heet het MRI, Magnetic Resonance Imaging.
Wat wil men ermee bereiken?
Het eerste en bekendste doel is medische beeldvorming zonder gezondheidsrisico's van straling. In tegenstelling tot een röntgenfoto of CT-scan, die gebruikmaken van ioniserende straling, is MRI in principe onschadelijk omdat het alleen magneetvelden en radiogolven gebruikt. Dat maakt herhaalde scans, bijvoorbeeld bij opvolging van een behandeling, veiliger.
Een tweede doel ligt in de chemie en biologie: met NMR-spectroscopie kunnen onderzoekers uitzoeken hoe atomen in een molecuul ten opzichte van elkaar gerangschikt zijn. Dit is decennialang een standaardtechniek geweest om de structuur van nieuwe stoffen, eiwitten en medicijnen te ontrafelen.
Een derde, veel recenter doel is kwantumcomputing. Kernspins kunnen, vergeleken met veel andere soorten kwantumbits (qubits), ongewoon lang hun kwantumtoestand bewaren, de zogeheten coherentietijd. Hoe langer die coherentie, hoe meer rekenstappen je kunt doen voordat de informatie 'verwatert'. Dat maakt kernspins aantrekkelijk als basis voor qubits, of als stabiel kwantumgeheugen naast snellere maar kortlevende qubits zoals elektronspins.
Een vierde doel is het gebruik van kernspins in kwantumsensoren en toekomstige kwantumnetwerken, waarbij ze dienen als een soort betrouwbare 'opslagplek' voor kwantuminformatie die later weer uitgelezen of doorgestuurd kan worden.
Voorbeelden uit de praktijk
De geschiedenis van MRI is ook een geschiedenis van een wetenschappelijke controverse. Paul Lauterbur en Peter Mansfield ontvingen in 2003 de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde voor hun pionierswerk aan beeldvorming met magnetische resonantie, werk dat ze vanaf de jaren zeventig ontwikkelden. Raymond Damadian bouwde in 1977 een van de eerste MRI-scanners, bijgenaamd 'Indomitable', en claimde eveneens een cruciale bijdrage; hij ontving zelf geen Nobelprijs, wat destijds tot de nodige discussie leidde.
In de scheikunde kreeg Richard Ernst in 1991 de Nobelprijs voor de Scheikunde voor methodologische verbeteringen aan NMR-spectroscopie. Zijn werk vormde NMR om tot het precisie-instrument dat het nu is voor structuurbiologie en moleculair onderzoek.
Op het gebied van kwantumcomputing publiceerden onderzoekers van UNSW Sydney in Australië, onder leiding van Andrea Morello, rond 2022 resultaten met kernspin-qubits in silicium, gebaseerd op fosfor-donoratomen ingebed in silicium-28. Ze toonden aan dat het uitlezen en besturen van deze kernspin-qubits met een betrouwbaarheid kon gebeuren die ruim boven de drempel ligt die nodig is voor kwantumfoutcorrectie, een belangrijke stap richting schaalbare kwantumcomputers. Het ging hierbij nog om een handvol qubits op labschaal.
In Nederland gebruikten onderzoekers van QuTech, verbonden aan de TU Delft, onder leiding van Ronald Hanson rond 2014-2015 kernspins nabij zogeheten stikstof-vacature (NV)-centra in diamant als stabiel kwantumgeheugen. Dit speelde een rol in experimenten rond kwantumverstrengeling en kwantumteleportatie tussen elektronspins, waarbij de kernspin fungeerde als 'opslag' voor de kwantuminformatie.
Op het klinische vlak bracht het bedrijf Hyperfine een compacte, verrijdbare low-field MRI-scanner op de markt die in 2020 goedkeuring kreeg van de Amerikaanse FDA. Zo'n scanner kan direct naast een ziekenhuisbed gebruikt worden, wat MRI toegankelijker maakt buiten gespecialiseerde radiologieafdelingen.
Ook loopt er al langer, sinds de jaren tweeduizend, onderzoek naar zogeheten hyperpolarized MRI, waarbij kernspins van bijvoorbeeld koolstof-13 kunstmatig in een veel sterker uitgelijnde toestand worden gebracht om metabole processen in bijvoorbeeld tumoren zichtbaar te maken. Dit blijft grotendeels onderzoek en vroege klinische studies; het is nog geen wijdverspreide klinische standaard.
Hoe ver is de techniek?
MRI en NMR zijn volwassen technologieën: MRI-scanners draaien dagelijks in ziekenhuizen over de hele wereld en zijn een standaardonderdeel van medische diagnostiek. De ontwikkeling gaat nu vooral twee kanten op: enerzijds steeds hogere veldsterktes, zoals 7 tesla-scanners die meer detail opleveren voor wetenschappelijk onderzoek, en anderzijds juist compactere, goedkopere low-field scanners voor bredere toegankelijkheid.
Kwantumcomputing met kernspins staat op een heel ander punt: het is nog grotendeels labwerk. De lange coherentietijden van kernspins zijn overtuigend aangetoond, maar het opschalen naar systemen met veel qubits én werkbare foutcorrectie blijft een groot obstakel. Vaak zijn daarbij ook extreem lage temperaturen nodig, dicht bij het absolute nulpunt, wat de apparatuur complex en kostbaar maakt. Het is op dit moment eerlijk gezegd onzeker binnen welk tijdspad dit praktisch bruikbare kwantumcomputers oplevert, en een aantoonbaar 'kwantumvoordeel' met kernspin-qubits voor een reëel probleem is er nog niet.
Wie werken eraan?
Aan de klinische kant zijn de grote namen Philips, Siemens Healthineers en GE Healthcare, die de meeste MRI-systemen in ziekenhuizen leveren. Voor wetenschappelijk NMR-onderzoek is Bruker een belangrijke leverancier van spectrometers. Aan de toegankelijke kant profileert Hyperfine zich met draagbare low-field MRI-scanners.
Op het gebied van kwantumonderzoek met kernspins is Nederland internationaal goed vertegenwoordigd: QuTech en het Kavli Institute of Nanoscience, beide verbonden aan de TU Delft, behoren tot de vooraanstaande instituten wereldwijd op dit terrein. Daarnaast spelen UNSW Sydney in Australië, ETH Zürich in Zwitserland en Amerikaanse universiteiten zoals MIT en Berkeley een belangrijke rol. Voor Nederlandse lezers is het relevant om te weten dat QuTech, met zijn werk aan onder meer kernspin-qubits in diamant, tot de internationale koplopers in dit onderzoeksveld behoort.