[논문 리뷰] A fluorescent-protein spin qubit

Joseph Feder, Benjamin S. Soloway외 13명|arXiv (Cornell University)|2024. 11. 25.

Electron Spin Resonance Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 유전자 발현 단백질인 향상된黃색 형광 단백질(EYFP)에서 광학적으로 주소 지정 가능한 스핀 큐비트를 처음으로 구현하였다. 근적외선 레이저 펄스를 사용하여 스핀 상태를 읽어내며 최대 44%의 대trast를 달성하였다. 액체 질소 온도에서 공명 마이크로파 제어를 구현하였으며, 스핀-격자 리아케이션 시간은 141 ± 5 μs, CPMG 분리 조건 하에서 공명 시간은 16 ± 2 μs였다. 이로 인해 세포 내에서 183 fT·mol⁻¹/²·Hz⁻¹/²의 감도로 자기장 감지가 가능했으며, 실온에서는 93 pT·mol⁻¹/²·Hz⁻¹/²의 감도를 보였다.

ABSTRACT

Optically-addressable spin qubits form the foundation of a new generation of emerging nanoscale sensors. The engineering of these sensors has mainly focused on solid-state systems such as the nitrogen-vacancy (NV) center in diamond. However, NVs are restricted in their ability to interface with biomolecules due to their bulky diamond host. Meanwhile, fluorescent proteins have become the gold standard in bioimaging, as they are genetically encodable and easily integrated with biomolecules. While fluorescent proteins have been suggested to possess a metastable triplet state, they have not been investigated as qubit sensors. Here, we realize an optically-addressable spin qubit in the Enhanced Yellow Fluorescent Protein (EYFP) enabled by a novel spin-readout technique. A near-infrared laser pulse allows for triggered readout of the triplet state with up to 44% spin contrast. Using coherent microwave control of the EYFP spin at liquid-nitrogen temperatures, we measure a spin-lattice relaxation time of $(141 \pm 5)\, \mathrm{μs}$, a $(16 \pm 2)\, \mathrm{μs}$ coherence time under Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) decoupling, and a predicted oscillating (AC) magnetic field sensitivity with an upper bound of $183 \, \mathrm{fT}\, \mathrm{mol}^{1/2}\, \mathrm{Hz}^{-1/2}$. We express the qubit in mammalian cells, maintaining contrast and coherent control despite the complex intracellular environment. Finally, we demonstrate optically-detected magnetic resonance at room temperature in aqueous solution with contrast up to 3%, and measure a static (DC) field sensitivity with an upper bound of $93 \, \mathrm{pT}\, \mathrm{mol}^{1/2}\, \mathrm{Hz}^{-1/2}$. Our results establish fluorescent proteins as a powerful new qubit sensor platform and pave the way for applications in the life sciences that are out of reach for solid-state technologies.

연구 동기 및 목표

• 형광 단백질을 생물학적 환경에서 광학적으로 주소 지정 가능한 스핀 큐비트 플랫폼으로 삼을 수 있도록 구축하는 것.
• 다이아몬드 내 NV 중심과 같은 고체 상태 스핀 큐비트의 한계를 극복하여, 그 크기가 큰 기질로 인해 생물분자 통합이 불가능한 문제를 해결하는 것.
• 생물학적으로 관련성이 있는 조건, 즉 체내에서의 맨틀세포를 포함하여 EYFP에서의 공명 제어 및 고대비 스핀 읽기 기능을 실현하는 것.
• 용액 상태에서 실온에서의 광학적으로 감지된 자기공명을 입증하고, 측정 가능한 감도를 확보하는 것.
• 근적외선 레이저 펄스를 사용하여 EYFP의 트리플렛 상태를 선택적으로 탐지하는 새로운 스핀 읽기 기법을 개발하는 것.

제안 방법

• 근적외선 레이저 펄스를 사용하여 EYFP의 트리플렛 스핀 상태를 유도하고 읽어내어 최대 44%의 스핀 대비를 달성하였다.
• 77 K에서 공명 마이크로파 제어를 통해 스핀 큐비트를 조작하였으며, 라비 진동 및 스핀 에코 측정을 실현하였다.
• Carr-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG) 시퀀스를 적용하여 스핀 공명 시간을 16 ± 2 μs까지 연장하였다.
• 마이크로파 펄스와 형광 탐지 기법을 사용하여 스핀-격자 리아케이션 시간(T₁)을 141 ± 5 μs로 측정하였다.
• 스핀 큐비트가 교류 및 직류 자기장에 반응하는 방식을 분석하여 자기장 감도를 정량화하였으며, 각각 상한값으로 183 fT·mol⁻¹/²·Hz⁻¹/² 및 93 pT·mol⁻¹/²·Hz⁻¹/²를 확보하였다.
• 맨틀세포에 EYFP 큐비트를 발현시켜 복잡한 세포 내 환경에서도 여전히 스핀 대비와 공명 제어 기능이 유지됨을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 형광 단백질이 생물학적 적용에 적합한 안정적이고 광학적으로 주소 지정 가능한 스핀 큐비트를 수용할 수 있는가?
• RQ2 저온에서 마이크로파 제어를 받는 EYFP 트리플렛 상태의 공명 시간과 리아케이션 거동은 어떠한가?
• RQ3 근적외선 레이저 펄스를 사용하여 EYFP에서 고대비 스핀 읽기를 달성할 수 있는가?
• RQ4 EYFP 스핀 큐비트가 맨틀세포 내에서 얼마나 오랫동안 功能을 유지할 수 있는가?
• RQ5 용액 상태에서 실온에서 EYFP 큐비트의 자기장 감도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 근적외선 레이저 펄스를 사용한 유도 읽기 기법으로 EYFP 스핀 큐비트에서 최대 44%의 스핀 대비를 달성하였다.
• 77 K에서 스핀-격자 리아케이션 시간(T₁)이 141 ± 5 μs로 측정되어 장수명 스핀 상태를 나타내었다.
• CPMG 분리 조건 하에서 스핀 공명 시간(T₂)이 16 ± 2 μs에 도달하여 위상 분산 억제 효과가 효과적으로 작용함을 입증하였다.
• 77 K에서 교류 자기장에 대한 상한 감도로 183 fT·mol⁻¹/²·Hz⁻¹/²의 자기장 감도를 확보하였다.
• 용액 상태에서 실온에서 EYFP 큐비트는 3%의 스핀 대비를 보였으며, 직류 자기장 감도 상한값은 93 pT·mol⁻¹/²·Hz⁻¹/²이었다.
• 맨틀세포에 발현된 EYFP 큐비트는 복잡한 생물학적 환경에서도 공명 제어 기능과 측정 가능한 대비를 유지함을 확인하여 생체 내에서의 기능성을 입증하였다.