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单核自旋簇的灵敏探测和原子尺度的结构分析取得重要进展

日前,中国科大杜江峰教授研究组及其理论合作者成功地在室温大气环境下实现了单核自旋对的探测及其原子尺度的结构分析。该实验利用掺杂金刚石中的氮-空位单电子自旋(以下简写为NV)作为磁探针,刻画出两个核自旋的相互作用和原子尺度上的结构及取向信息。此结果表明,动力学解耦作用下的NV探针是实现单分子结构解析和谱学分析的有力工具,可帮助我们直接测量原子尺度上单个物质单元的组成、结构及动力学性质,获取被系综统计平均掩盖的个体单元独特信息,从而更本质地理解物质的结构与性质,为实现亚纳米尺度上的磁共振成像打下坚实的基础,有可能孕育出前沿科学领域的重大突破。这件成果发表在Nature Physics上[Published online: 24 Nov. 2013, DOI: 10.1038/NPHYS2814]。

 

传统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。受限于传统的探测方式,室温大气环境下,一直未能将磁共振技术推进到纳米甚至原子尺度。杜江峰研究组选取了基于掺杂金刚石中氮-空位(以下简写为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。杜江峰教授及其合作者解决了纳米尺度磁共振探测的两个关键问题:对核自旋的探测和自旋间相互作用的解析。

 

此前,杜江峰教授与德、美研究所合作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,取得微观核磁共振技术的突破性进展,为微观磁共振技术的应用奠定了坚实的基础。该研究成果发表在今年初的国际权威学术期刊《科学》杂志上[Science 339, 561 (2013)]。被同期由P. Hemmer撰写的评论评价为 “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)]。

 

 

 

 

不同于探测无相互作用的自旋,直接测量单核自旋簇中的相互作用是通向最终的单分子结构解析的重要途径之一。自旋簇的探测能够揭示多体系统的相互作用机理及新颖的物理现象,而在核磁共振技术及磁共振成像方面,我们能够通过自旋簇的探测解析复杂分子的内部结构。日前,杜江峰教授研究组用多种动力学解耦序列作用在NV上,在室温大气环境下成功探测到距离NV探针约1 纳米处的单13C-13C 对,并且通过实验数据分析刻画出两个核自旋的相互作用,其关联强度仅为690Hz。从测得的相互作用,以原子尺度分辨率解析出自旋对的空间取向和结构。在此基础上,结合更高阶的动力学解耦及材料的表面制备和处理等技术,动力学解耦结合NV单自旋探针,是核磁共振实现单分子结构解析的切实可行的方法之一。审稿人评述为“该工作是原创的、新颖的和有意义的。作者用动力学解耦技术测量核自旋对产生的弱磁信号。此出色结果对此领域的工作者而言是非常有用的。”“该工作中新的方法和技术能够解析自旋对的位置和取向。其将在包括量子信息处理、经典和量子度量在内的量子信息领域引起广泛关注。”

 

(物理学院)

 
 
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