中科院科學家研究首次實驗實現納米尺度零場順磁共振

由中國科學院科學家團隊——中科院院士、中科大教授杜江峰領導的中科院微觀磁共振重點實驗室提出並實驗實現了一種基於金剛石氮-空位（NV）色心量子感測器的新零場順磁共振方法，打破了傳統順磁共振信號強度對熱極化的依賴，將零場順磁共振的空間解析度從厘米量級提升至納米級，為零場順磁共振的實用化開啟了一條新途徑。該研究成果以Nanoscale zero-field electron spin resonance spectroscopy為題，發表在4月19日的《自然-通訊》上[Nature Communications9, 1563 (2018)]。

電子順磁共振是當代重要的物質科學研究手段。例如，對於自旋標記的生物分子樣品，可通過順磁共振技術獲取分子的動力學、結構等重要信息。這些信息主要源於電子自旋的精細和超精細結構，它們均可以從順磁共振譜中提取。但是由於磁場的存在，不同取向的分子會有不同的共振峰，從而不可避免地會引起譜線的非均勻展寬，使信息的獲取變得困難。目前技術發展的一個方向是通過不斷提高的強磁場來部分去除這種展寬的影響，但存在技術挑戰且成本高昂。而另一種簡單直接的方式是不加磁場，此時自旋系統的能級結構只取決於系統的內稟相互作用，不再與分子取向有關，原則上可以完全移除非均勻展寬。這種稱之為零場順磁共振的方法在幾十年前就已經提出，但是受探測原理限制，傳統順磁共振譜儀的探測靈敏度依賴於磁場大小，在零場下的探測靈敏度極低，往往需要厘米尺寸的樣品量來累積足夠大的熱極化下的磁信號，極大地限制了零場順磁共振方法的應用。這導致該方法幾十年來止步不前，並未獲得廣泛應用。

在該工作中，杜江峰團隊針對零場順磁共振目前的困境，另闢蹊徑，採用了高靈敏度的金剛石NV色心量子感測器和新穎的量子探測方法，來實現零場順磁共振。金剛石NV色心是一種固態的自旋量子體系，因其在量子調控方面的優秀性質，在量子計算和量子精密測量方面有著重要的應用前景。尤其是量子精密測量方向，近十年來發展迅猛，已經實現了單個生物分子的非零場順磁共振（杜江峰團隊，Science347, 1135 (2015)）。NV色心量子感測器之所以具備如此超高靈敏度的磁探測能力，一方面是因為NV色心尺寸極小（埃量級），可以將NV色心放置得離待測目標足夠近（納米量級）；另一方面是因為NV色心採用量子干涉儀的探測原理，可以將微弱的磁信號轉化為量子態的相位信息來讀出，靈敏度非常高。基於NV色心的微觀磁共振能夠達到納米級的空間解析度和單個核自旋的高靈敏度，被認為是對傳統磁共振技術的革命性突破。

但是，以往使用的基於NV色心的順磁共振技術並不能直接應用到零場情形，因為它需要對目標自旋進行精確操控，這在零場下十分困難。在該工作中，研究人員提出一種新的方法，用精心設計的微波脈衝連續驅動NV色心，通過改變驅動功率可以連續調控NV的能級劈裂，當其和目標自旋的能級劈裂匹配時會產生共振信號，過程中並不涉及對目標自旋的任何操控。實驗上，研究人員成功實現了對NV色心周圍15納米範圍內的約4個金剛石內部電子自旋的零場檢測，獲得了清晰的零場順磁共振譜，並從中直接提取了目標自旋的超精細常數。

這種新方法避開了非零場下譜線展寬的干擾，可以直接在納米尺度研究待測目標的能級結構，使得零場順磁共振技術在單分子尺度上的應用成為可能。之前已經有研究表明，電子自旋標籤的超精細常數對分子所處的局域環境的電學性質十分敏感，使用這一方法未來有望在單個分子尺度研究這種局域性質。另外，該方法也可以用於解析電子-電子相互作用，如果在單個分子上標記多個自旋標籤，可以實現單分子的結構解析。

中科院微觀磁共振重點實驗室博士生孔飛和趙鵬舉為該文並列第一作者，教師石發展和杜江峰為該文並列通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和安徽省的資助。

非零場（左）和零場（右）順磁共振譜的對比圖。可以看出與非零場下譜峰位置依賴分子取向不同，零場下譜線位置始終不變，使得不同取向的分子的疊加信號保持清晰。

（來源：中國科學院）

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