中國科大實現室溫大氣環境下單核自旋簇的靈敏探測

　　日前，中國科大杜江峰教授研究組成功地在室溫大氣環境下實現了單核自旋對的探測及其原子尺度的結構分析，該研究成果發表在11月24日出版的Nature Physics上。

　　傳統的自旋磁共振譜儀基于系綜探測原理，它的測試對象是含有百億個以上相同自旋的系綜樣品。受限于傳統的探測方式，室溫大氣環境下，一直未能將磁共振技術推進到納米甚至原子尺度。

　　杜江峰教授研究組選取了基于摻雜金剛石中氮-空位(以下簡寫為NV)對的固態單自旋作為探針，代替傳統的電探測方式，用基于此體系單自旋態制備成量子干涉儀，將微觀自旋體系產生的弱磁信號轉為干涉儀的相位，從而實現高靈敏度的信號檢測。該研究組用多種動力學解耦序列作用在NV上，在室溫大氣環境下成功探測到距離NV探針約1納米處的單13C-13C對，并且通過實驗數據分析刻畫出兩個核自旋的相互作用，其關聯強度僅為690Hz。從測得的相互作用，以原子尺度分辨率解析出自旋對的空間取向和結構。在此基礎上，結合更高階的動力學解耦及材料的表面制備和處理等技術，動力學解耦結合NV單自旋探針，是核磁共振實現單分子結構解析的切實可行的方法之一。

　　研究結果表明，動力學解耦作用下的NV探針是實現單分子結構解析和譜學分析的有力工具，可幫助我們直接測量原子尺度上單個物質單元的組成、結構及動力學性質，獲取被系綜統計平均掩蓋的個體單元獨特信息，從而更本質地理解物質的結構與性質，為實現亞納米尺度上的磁共振成像打下堅實的基礎，有可能孕育出前沿科學領域的重大突破。

　　論文審稿人認為：“該工作是原創的、新穎的和有意義的。作者用動力學解耦技術測量核自旋對產生的弱磁信號。此出色結果對此領域的工作者而言是非常有用的。”“該工作中新的方法和技術能夠解析自旋對的位置和取向。其將在包括量子信息處理、經典和量子度量在內的量子信息領域引起廣泛關注。”