中國科大首次利用超極化分子核自旋實現磁場信號放大

中國科學技術大學自旋磁共振實驗室彭新華教授、江敏教授及其合作者，系統發展了分子核自旋的超極化技術，并提出將其用于量子傳感的新方法，首次實現了基于超極化分子核自旋的磁場信號放大，將核自旋對微弱磁場的響應能力至少提升了四個數量級。相關研究成果以"Hyperpolarized Molecular Nuclear Spins Achieve Magnetic Amplification"為題于2026年4月2日在線發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

核自旋廣泛存在于各類分子中，其相關參數蘊含著分子的內部結構和動力學信息。自核磁共振技術誕生以來，核自旋已成為波譜學、磁共振成像等領域的核心工具，相關研究曾六次榮獲諾貝爾獎。除了蘊含分子內部的結構信息外，核自旋還可以作為靈敏的探測器，用于感知外界磁場、轉動等重要物理信息，從而使其從傳統波譜學中“被分析”的角色轉變為“主動感知外界”的角色。特別地，與電子自旋相比，核自旋在常溫條件下具有秒量級的超長相干時間，并且受到原子核外電子殼層的有效屏蔽，對外界環境擾動表現出較強的抗干擾能力。這些特性使核自旋在絕對磁場計量、慣性導航等領域展現出獨特優勢，已被用于制作質子磁力計、陀螺儀等重要傳感器。然而，盡管已取得重要進展，核自旋作為傳感器仍面臨諸多技術瓶頸，尤其是其旋磁比較小且熱平衡自旋極化度較低，導致核自旋傳感器的靈敏度遠低于電子自旋傳感器，嚴重制約了核自旋向超高靈敏量子傳感技術的發展。

圖1.基于超極化分子核自旋的磁場放大

針對這一挑戰，研究團隊將自主發展的超低場核磁共振、仲氫誘導極化與弱磁測量技術相結合，提出了基于超極化分子核自旋的磁放大方案。仲氫誘導極化是一種利用仲氫作為高有序自旋源，通過鼓泡方式將其引入液態樣品并將極化轉移至目標分子核自旋的超極化技術（如圖1(a)所示）。與傳統熱極化方式相比，這一技術可將核自旋極化度提升數個數量級，從而顯著增強核自旋對微弱磁場的響應能力。在此基礎上，團隊進一步將超極化分子自旋作為傳感體系，當其受到微弱振蕩磁場作用時，核自旋會偏離初始方向并產生橫向進動，進而產生一個附加的偶極磁場。這一偶極磁場疊加在待測磁場上，可以起到顯著的放大作用（如圖1(b)和1(c)所示）。在本項研究中，研究團隊以乙腈和吡啶中的超極化質子自旋為實驗例子，實現了約3.1% 的磁場信號放大。進一步，將簡單的兩能級體系擴展到具有標量耦合的多自旋體系，這類體系在零磁場下具有長壽命相干態，弛豫時間可達十余秒，能夠顯著增強對外界磁場的響應，并將磁放大因子提升至13.2%。相較于當前最先進的質子磁力計和Overhauser 磁力計約0.001%的放大因子，該方案實現了將核自旋磁響應能力提升四個數量級以上。團隊還系統研究了放大效應隨磁場幅度和頻率的變化規律，并從核自旋動力學出發給出了完整的理論解釋，揭示了超極化分子核自旋實現磁放大的物理機制。

這項研究首次實現了超極化分子核自旋的磁場放大效應，開辟了核自旋量子增強磁測量的新路徑。該工作打通了超極化技術與精密測量的壁壘，為發展超高靈敏度傳感器提供了新的方法。相關成果不僅在地質勘探、考古探測、地磁監測等傳統磁測量領域具備顯著性能優勢，更在高精度絕對磁場計量、慣性導航、暗物質搜索等前沿方向顯示出重要應用潛力。

我校博士生周生棒為論文第一作者，彭新華教授、江敏教授為該文共同通訊作者。研究工作得到了來自科技部、國家自然科學基金委、中國科學院等多個項目的支持。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/36n5-fkb2