一種基于金剛石氮-空位色心量子傳感器的高分辨順磁共振探測方法

中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰領(lǐng)導(dǎo)的中科院微觀磁共振重點實驗室提出并實驗實現(xiàn)了一種基于金剛石氮-空位（NV）色心量子傳感器的高分辨順磁共振探測方法，獲得了千赫茲（kHz）譜線分辨率的單自旋順磁共振譜。該研究成果以Kilohertz electron paramagnetic resonance spectroscopy of single nitrogen centers at zero magnetic field 為題，發(fā)表在《科學(xué)進展》上[Science Advances 6:eaaz8244 (2020)]。

電子順磁共振譜學(xué)技術(shù)是當代重要的物質(zhì)科學(xué)研究手段，常用來獲取分子的動力學(xué)、結(jié)構(gòu)等信息。該技術(shù)一個主要的發(fā)展方向是從盡可能少的樣品中獲取盡可能精確的信息，這需要同時提升空間分辨率和譜線分辨率。近幾十年來，得益于新的探測技術(shù)的出現(xiàn)，空間分辨率不斷提升，甚至實現(xiàn)了納米尺度下單個自旋的順磁共振檢測。然而受制于不可控的外界噪聲的干擾，其譜線分辨率卻停留在兆赫茲（MHz）量級，這阻礙了進一步在單分子層面解析結(jié)構(gòu)、局域環(huán)境等信息。要想突破當前的譜線分辨率限制，需尋求克服環(huán)境噪聲的新方法。

除了主動抑制噪聲，另一種更為直接有效的方式是讓被測自旋天然地對噪聲免疫。在特定磁場等條件下存在著一類特殊自旋態(tài)，這些自旋態(tài)能夠抵抗外界磁場噪聲的擾動，電子在這些自旋態(tài)之間躍遷產(chǎn)生的譜線就會窄化。這種物理現(xiàn)象廣泛存在于離子阱、核磁共振以及磷硅等體系中。之前有文獻報道，對于一類順磁性物質(zhì)，在零磁場下也存在這種現(xiàn)象。但是傳統(tǒng)順磁共振技術(shù)的檢測靈敏度與磁場大小相關(guān)，零場下探測效率極低，限制了實際應(yīng)用。為此研究團隊使用金剛石中NV色心量子傳感器進行順磁共振檢測。之前的工作已經(jīng)證明了，NV色心即使在零場下依然具有單自旋級別的檢測靈敏度[Fei Kong, et al., Nature Communications 9, 1563 (2018)]。

為了觀測到譜線窄化，實現(xiàn)高分辨率譜學(xué)探測，還需要消除NV傳感器自身帶來的譜線展寬。在本工作中，杜江峰團隊受到核磁共振中關(guān)聯(lián)探測的啟發(fā)，設(shè)計了一種適用于零場的順磁共振關(guān)聯(lián)序列，極大地壓制了NV傳感器的本征展寬。用此新方法，研究人員在實驗中成功實現(xiàn)金剛石中單個氮原子電子自旋的窄化躍遷探測，相較傳統(tǒng)方法譜線分辨率提升了27倍，達到8.6 kHz，這是目前基于金剛石量子傳感器微觀順磁共振譜學(xué)的最高指標。

該實驗結(jié)果證明了基于NV量子傳感的順磁共振技術(shù)可以兼顧空間和譜線分辨率，同時這種測量手段沒有苛刻的環(huán)境條件（真空，低溫）限制，可在室溫大氣溶液等條件下工作，在生物應(yīng)用方面具有獨特的競爭優(yōu)勢。這種新型方法能夠應(yīng)用于單個生物分子的探測，得益于譜線分辨率的提升，可以更加精細地分析單分子的結(jié)構(gòu)信息、動力學(xué)變化以及局部環(huán)境特征等。

傳統(tǒng)方法（上）和噪聲抵抗新方法（下）順磁共振譜的對比圖?？梢钥闯鲎V線分辨率有顯著提升，并且觀測到了更加精細的耦合信息。

中科院微觀磁共振重點實驗室博士后孔飛、博士生趙鵬舉和余佩為該文共同第一作者，杜江峰和特任教授石發(fā)展為該文共同通訊作者。該研究得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、中科院和安徽省的資助。