科研人員實現千赫茲級譜線解析度的單自旋順磁共振

2020-11-23 騰訊網

中國科學院院士、中國科學技術大學教授杜江峰領導的中科院微觀磁共振重點實驗室提出並實驗實現了一種基於金剛石氮-空位（NV）色心量子傳感器的高分辨順磁共振探測方法，獲得了千赫茲（kHz）譜線解析度的單自旋順磁共振譜。該研究成果以Kilohertz electron paramagnetic resonance spectroscopy of single nitrogen centers at zero magnetic field為題，發表在《科學進展》上[Science Advances6:eaaz8244 (2020)]。

電子順磁共振譜學技術是當代重要的物質科學研究手段，常用來獲取分子的動力學、結構等信息。該技術一個主要的發展方向是從儘可能少的樣品中獲取儘可能精確的信息，這需要同時提升空間解析度和譜線解析度。近幾十年來，得益於新的探測技術的出現，空間解析度不斷提升，甚至實現了納米尺度下單個自旋的順磁共振檢測。然而受制於不可控的外界噪聲的幹擾，其譜線解析度卻停留在兆赫茲（MHz）量級，這阻礙了進一步在單分子層面解析結構、局域環境等信息。要想突破當前的譜線解析度限制，需尋求克服環境噪聲的新方法。

除了主動抑制噪聲，另一種更為直接有效的方式是讓被測自旋天然地對噪聲免疫。在特定磁場等條件下存在著一類特殊自旋態，這些自旋態能夠抵抗外界磁場噪聲的擾動，電子在這些自旋態之間躍遷產生的譜線就會窄化。這種物理現象廣泛存在於離子阱、核磁共振以及磷矽等體系中。之前有文獻報導，對於一類順磁性物質，在零磁場下也存在這種現象。但是傳統順磁共振技術的檢測靈敏度與磁場大小相關，零場下探測效率極低，限制了實際應用。為此研究團隊使用金剛石中NV色心量子傳感器進行順磁共振檢測。之前的工作已經證明了，NV色心即使在零場下依然具有單自旋級別的檢測靈敏度[Fei Kong, et al.,Nature Communications9, 1563 (2018)]。

為了觀測到譜線窄化，實現高解析度譜學探測，還需要消除NV傳感器自身帶來的譜線展寬。在本工作中，杜江峰團隊受到核磁共振中關聯探測的啟發，設計了一種適用於零場的順磁共振關聯序列，極大地壓制了NV傳感器的本徵展寬。用此新方法，研究人員在實驗中成功實現金剛石中單個氮原子電子自旋的窄化躍遷探測，相較傳統方法譜線解析度提升了27倍，達到8.6 kHz，這是目前基於金剛石量子傳感器微觀順磁共振譜學的最高指標。

該實驗結果證明了基於NV量子傳感的順磁共振技術可以兼顧空間和譜線解析度，同時這種測量手段沒有苛刻的環境條件（真空，低溫）限制，可在室溫大氣溶液等條件下工作，在生物應用方面具有獨特的競爭優勢。這種新型方法能夠應用於單個生物分子的探測，得益於譜線解析度的提升，可以更加精細地分析單分子的結構信息、動力學變化以及局部環境特徵等。

中科院微觀磁共振重點實驗室博士後孔飛、博士生趙鵬舉和餘佩為該文共同第一作者，杜江峰和特任教授石發展為該文共同通訊作者。該研究得到科技部、國家自然科學基金委、中科院和安徽省的資助。

傳統方法（上）和噪聲抵抗新方法（下）順磁共振譜的對比圖。可以看出譜線解析度有顯著提升，並且觀測到了更加精細的耦合信息。

來源：中國科學技術大學

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