Single-spin elektron paramagnetisk resonansspektrum med kilohertz spektral opløsning

En høj opløsning paramagnetisk resonans detektionsmetode baseret på diamant nitrogen-vacancy (NV) farvecenter kvantesensor blev foreslået og eksperimentelt implementeret i en undersøgelse ledet af akademiker DU Jiangfeng fra CAS Key Laboratory of Microscale Magnetic Resonance ved University of Science and Technology i Kina (USTC) af det kinesiske videnskabsakademi (CAS).

Forskerne opnåede det enkelt-spin paramagnetiske resonansspektrum med kilohertz (kHz) spektral opløsning. Undersøgelsen blev offentliggjort i Videnskabens fremskridt .

En vigtig udviklingstendens inden for elektronparamagnetisk resonansspektroskopi er at få så nøjagtig information som muligt fra så få prøver som muligt, hvilket kræver forbedring af både rumlig opløsning og spektral opløsning. I de seneste årtier har den rumlige opløsning er blevet væsentligt forbedret, og detektionen af ​​single-spin paramagnetisk resonans nåede endda op på nanoskalaen på grund af fremkomsten af ​​ny detektionsteknologi. Imidlertid, den spektrale opløsning forbliver i megahertz (MHz) skalaen på grund af ukontrollerbar ekstern støj. Derfor, en ny metode skal findes for at bryde igennem den nuværende begrænsning af spektral opløsning forårsaget af støj.

En mere direkte og effektiv måde er at gøre det målte spin naturligt ufølsomt over for ekstern støj. En bestemt slags spin-tilstande kan modstå forstyrrelsen af ​​ekstern magnetfeltstøj, og de spektrallinjer, der genereres af elektron, når de passerer mellem disse spin-tilstande, vil blive indsnævret. Det er blevet rapporteret, at dette fænomen også eksisterer for en slags paramagnetisk materiale under nul magnetfelt i tidligere forskning. Imidlertid, detektionsfølsomheden af ​​traditionel paramagnetisk resonansteknologi er relateret til størrelsen af ​​magnetfelt, og detektionseffektiviteten i nulfelt er ekstremt lav, hvilket begrænser den praktiske anvendelse.

Derfor, forskerne brugte NV farvecenter kvantesensor i diamant til at detektere paramagnetisk resonans. Tidligere arbejde har bevist, at NV-farvecentret stadig har enkelt-spin-niveaudetektionsfølsomhed selv ved nulfelt.

For at observere indsnævringen af ​​spektrallinjerne og realisere spektroskopi-detektion i høj opløsning, det er også nødvendigt at eliminere udvidelsen af ​​spektrallinjen forårsaget af selve NV-sensoren. Inspireret af korrelationsdetektion i kernemagnetisk resonans (NMR), DU's team designede en paramagnetisk resonanskorrelationssekvens egnet til nulfelt, hvilket i høj grad undertrykte den iboende udvidelse af NV-sensorer.

Ved at bruge denne nye metode, de opdagede med succes den indsnævrede overgang af elektronspin af et enkelt nitrogenatom i diamant i deres eksperiment. Sammenlignet med den traditionelle metode, den spektrale opløsning er blevet væsentligt forbedret med 27 gange, når 8,6 kHz.

Disse eksperimentelle resultater viste, at den paramagnetiske resonansteknologi baseret på NV kvantesensor kan opnå både høj rumlig og høj spektral opløsning. På samme tid, denne metode er ikke begrænset af barske miljøforhold (såsom vakuum eller lav temperatur), som er meget konkurrencedygtig i biologiske anvendelser. Mere detaljerede oplysninger om strukturelle, dynamiske ændringer og lokale miljøkarakteristika for et enkelt molekyle kan analyseres.