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基于氮-空位单电子自旋探针的微观核磁共振技术取得阶段性重要突破
( 2013-02-18 )
  近日,量子信息与量子科技前沿协同创新中心杜江峰教授研究组与德国斯图加特大学的J. Wrachtrup教授组合作,成功实现了(5nm)3体积样品质子信号的检测,取得微观核磁共振技术的突破性进展。该实验利用掺杂金刚石中距表面7纳米深度的氮-空位单电子自旋作为原子尺度磁探针,分别实现了(5nm)3体积液体和固体有机样品中质子信号的检测,其中包括的质子总数为一万个,其产生的磁信号强度相当于100个统计极化的核自旋。此实验为微观磁共振技术的应用奠定了坚实的基础。该研究成果于2月1日发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上[Science 339, 561 (2013)]。
  自旋在物质中广泛存在,因而自旋磁共振技术能够用来准确、快速和无破坏性地获取物质的组成和结构上的信息,是当代科学中最为重要的物质探索技术之一。一般的自旋磁共振谱仪基于系综探测原理,它的测试对象是含有百亿个以上相同自旋的系综样品。然而,近年来随着物质科学探索的不断深入,人们开始逐渐从统计平均测量向直接探测单量子的信息迈进。在自旋磁共振领域,实现微观磁共振,甚至单自旋磁共振是这一方向发展的极为重要的科学目标。为实现这一科学目标,杜江峰教授及其合作者选取了基于掺杂金刚石中氮-空位(NV)对的固态单自旋作为探针,代替传统的电探测方式,用基于此体系单自旋态制备成量子干涉仪,将微观自旋体系产生的弱磁信号转为干涉仪的相位,从而实现高灵敏度的信号检测。
  在双方及其他合作者在相关领域已有的研究基础上,中德科学家经过两年多的努力,逐步解决了此实验成功所需的关键技术:近表面NV的制备和处理(Wrachtrup's group, NJP 12, 065017, 2010)及动力学解耦(Du's group, Nature 461, 1265, 2009)。这两项技术是首次成功实现(5nm)3体积液体和固体有机样品中质子信号检测不可或缺的基础。
  2月1日出版的同期《科学》杂志上[Science 339, 561 (2013)],还发表了另一篇类似工作[Science 339, 557 (2013)],这是由美国IBM的D. Rugar和美国加利福尼亚大学圣芭芭拉的D. Awschalom合作完成的,他们同样利用NV磁探针,成功实现了(24nm)3体积有机样品的核磁信号的检测。本期杂志上,由P. Hemmer撰写的评论称,此两项工作“利用基于钻石的纳米磁强计,有效的减小了磁共振成像(MRI)的可探测体积到单个蛋白质分子水平。”[Science 339, 529 (2013)]
 
              (量子信息与量子科技前沿协同创新中心)


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