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单旋转电子顺磁共振谱具有千赫兹的光谱分辨率

  • 科学
  • 2020-06-22 08:43:16
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提出了一种基于金刚石氮空位(NV)色心量子传感器的高分辨率顺磁共振检测方法,并在中国科学技术大学中科院微尺度核磁共振重点实验室杜江峰院士的带领下进行了实验实施。中国科学院(CAS)的中国(USTC)。

研究人员获得了具有千赫兹(kHz)光谱分辨率的单轴顺磁共振光谱。该研究发表在《科学进展》上。

电子顺磁共振光谱学的主要发展趋势是从尽可能少的样品中获得尽可能多的准确信息,这需要同时提高空间分辨率和光谱分辨率。在最近的几十年中,由于新的检测技术的出现,空间分辨率得到了很大的提高,单旋转顺磁共振的检测甚至达到了纳米级。但是,由于不可控的外部噪声,频谱分辨率仍保持在兆赫兹(MHz)范围内。因此,必须找到一种新的方法来突破目前由噪声引起的频谱分辨率的限制。

一种更直接有效的方法是使被测自旋自然不受外部噪声的影响。某种自旋态可以抵抗外部磁场噪声的干扰,并且电子在这些自旋态之间转换时产生的谱线将变窄。据报道,在先前的研究中,这种现象对于零磁场下的顺磁性材料也存在。但是,传统的顺磁共振技术的检测灵敏度与磁场强度有关,零磁场下的检测效率极低,限制了其实际应用。

因此,研究人员在钻石中使用了NV色心量子传感器来检测顺磁共振。先前的工作证明,即使在零场下,NV色心仍具有单旋转电平检测灵敏度。

为了观察光谱线的变窄并实现高分辨率光谱检测,还必须消除由NV传感器本身引起的光谱线变宽。DU团队受核磁共振(NMR)中相关检测的启发,设计了一种适用于零场的顺磁共振相关序列,从而极大地抑制了NV传感器的固有扩展。

使用这种新方法,他们在实验中成功检测到钻石中单个氮原子的电子自旋变窄。与传统方法相比,频谱分辨率提高了27倍,达到8.6 kHz。

实验结果表明,基于NV量子传感器的顺磁共振技术可以实现高空间分辨率和高光谱分辨率。同时,该方法不受苛刻的环境条件(例如真空或低温)的限制,这在生物学应用中非常有竞争力。可以分析单个分子的结构,动态变化和局部环境特征的更多详细信息。

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