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基于鉆石的傳感器提高核磁共振的分辨率 量子傳感是用來(lái)測(cè)量在多個(gè)領(lǐng)域的物理頻率，但對(duì)于一個(gè)量子傳感器用來(lái)衡量任何東西時(shí)，它必須與環(huán)境相互作用。這就會(huì)很快降低它的量子特性，這也限制了測(cè)量的精度。 然而，現(xiàn)在，三個(gè)研究小組已經(jīng)獨(dú)立使用經(jīng)典的時(shí)鐘同步實(shí)現(xiàn)了多個(gè)量子測(cè)量，使頻率測(cè)量精度高達(dá)1億倍，這比以前的任何一個(gè)量子傳感器都要高。另外一個(gè)研究小組接著證明了前所未有的精度，即在微米級(jí)的核磁共振光譜。 三組研究人員分別來(lái)自瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院 、德國(guó)的烏爾姆大學(xué)和美國(guó)的哈佛大學(xué)，使用鉆石中心的帶負(fù)電荷的氮空位（NV）實(shí)現(xiàn)。當(dāng)碳晶格中的兩個(gè)相鄰的碳原子被氮原子和空位所取代時(shí)，就會(huì)發(fā)生這些特殊的現(xiàn)象。氮空位中心的自旋態(tài)可以用光來(lái)控制和測(cè)量，并且對(duì)磁場(chǎng)也非常敏感。 而傳統(tǒng)的線(xiàn)圈檢測(cè)器用于核磁共振光譜和磁共振成像（MRI）需要大量的樣品，原子尺度氮空位中心可以放在分子旁邊實(shí)現(xiàn)“納米核磁共振”實(shí)驗(yàn)，這將會(huì)是越來(lái)越普遍的。2016年，哈佛大學(xué)和烏爾姆大學(xué)的研究人員通過(guò)在表面植入了氮空位的鉆石可用于檢測(cè)蛋白質(zhì)分子，甚至可以通過(guò)由氮空位中心檢測(cè)場(chǎng)頻率的變化情況推斷的一些結(jié)構(gòu)特征。 空間光譜 要確定使用納米核磁共振的大分子的結(jié)構(gòu)，需要更好的光譜分辨率，從而才能實(shí)現(xiàn)核心測(cè)量所要求的精確度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)化學(xué)環(huán)境的檢測(cè)�！澳憧梢詫�(duì)信號(hào)取樣范圍的時(shí)間長(zhǎng)度，可以確定其光譜分辨率的長(zhǎng)度，”Kristian Cujia解釋道，他是瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)的成員。不幸的是，一個(gè)氮空位中心的相干量子態(tài)在于環(huán)境相互作用后僅僅在幾微秒內(nèi)就會(huì)崩潰。 這樣短的測(cè)量時(shí)間顯然具有很大的不確定性。更糟糕的是，為了提高鉆石的空間分辨率，研究人員往往將氮空位中心植入更密集或更接近表面。這使得氮空位中心接近樣品，使它們對(duì)于磁場(chǎng)更加敏感，但這種結(jié)構(gòu)也使他們變得不太孤立，導(dǎo)致退相干過(guò)程發(fā)生地更快，進(jìn)一步降低光譜分辨率。 研究人員可以通過(guò)簡(jiǎn)單地進(jìn)行多個(gè)測(cè)量來(lái)提高磁共振中心的磁靈敏度。由于連續(xù)測(cè)量的誤差是不相關(guān)的，精度提高，因?yàn)楦嗟臏y(cè)量。然而，光譜分辨率在這樣的重復(fù)過(guò)程中并不能提高，并且與測(cè)量不相關(guān)。如今，這三個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)克服了這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)同步外部時(shí)鐘進(jìn)行重復(fù)氮空位的磁測(cè)量。這使他們能夠跟蹤時(shí)間，甚至在退相干發(fā)生時(shí)也能夠繼續(xù)。 “通常情況下，你必須把你的下一次測(cè)量作為一個(gè)獨(dú)立的測(cè)量，“烏爾姆大學(xué)的Liam McGuinness解釋說(shuō)�！爱�(dāng)我們做下一個(gè)測(cè)量時(shí)，我們已經(jīng)有一個(gè)鐘在跟蹤時(shí)間。這讓我們將一系列測(cè)量結(jié)果拼接在一起。”事實(shí)上，研究人員可以對(duì)一個(gè)可以無(wú)限監(jiān)控的氮空位中心進(jìn)行測(cè)量，有效地消除了氮空位退相干的局限性。所有研究小組均能夠?qū)崿F(xiàn)亞毫赫茲精度下的兆赫茲頻率范圍內(nèi)的測(cè)量，相比其它方法所測(cè)量協(xié)的光譜分辨率要高將近一百萬(wàn)倍。 McGuinness和他的同事們用他們的測(cè)量協(xié)議進(jìn)行聚丁烯在納米尺度大小的核磁共振譜測(cè)量。然而，研究人員遇到的一個(gè)問(wèn)題：“我們的所測(cè)的分子擴(kuò)散到我們氮空位中心中，”McGuinness解釋道。這限制了研究人員可以觀察到一個(gè)單一的分子的時(shí)間長(zhǎng)度，這也阻礙了他們獲得優(yōu)于約1千赫的分辨率。 然而，哈佛研究小組想出了一個(gè)解決這個(gè)問(wèn)題的測(cè)量協(xié)議可實(shí)現(xiàn)同一鉆石上氮空位中心的測(cè)量的集成。這意味著，他們的樣本量稍大（微米大�。�，他們的測(cè)量遭受分子擴(kuò)散的影響少得多。以目前的技術(shù)，你不能有效地使用同步讀出技術(shù)的高光譜分辨率核磁共振在納米尺度上，由于對(duì)樣品的自旋極化阻礙了小的核磁共振信號(hào)，并且相干檢測(cè)是隨機(jī)波動(dòng)的，”哈佛的Ronald Walsworth說(shuō)�！暗谖⒚壮叨龋憧梢��！� 哈佛大學(xué)的研究人員獲得的分辨率高達(dá)3赫茲，這種尺度比使用氮空位中心的核磁共振成像幾乎小了100倍。他們還觀察到許多用來(lái)解釋首次包括J-耦合的核磁共振信號(hào)的重要特征�！边@開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)全新的微米尺度的核磁共振技術(shù)，將打開(kāi)潛在的細(xì)胞內(nèi)的核磁共振的技術(shù)新大門(mén)，” Walsworth說(shuō)。下一步，它們將會(huì)嘗試使用氮空位中心核磁共振進(jìn)行真正的新科學(xué)。 McGuinness說(shuō)，新協(xié)議是一個(gè)“通用技術(shù)”，可以找到應(yīng)用程序超出氮空位中心的核磁共振。“我們提出的技術(shù)類(lèi)似外差法或關(guān)注焦點(diǎn)的檢測(cè)。如果你有一個(gè)弱激光，你想測(cè)量它的頻率，你采取另一個(gè)非常強(qiáng)大的激光混合加入其中，然后一起衡量其特征。在這里，我們不是采取一個(gè)經(jīng)典的激光，我們采取了量子傳感器�！� 進(jìn)步的技術(shù) 沒(méi)有參與到這項(xiàng)研究的理論物理學(xué)家Andrew Jordan說(shuō)，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院和烏爾姆大學(xué)的研究論文代表了這一領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。由于這套我們所設(shè)計(jì)的計(jì)時(shí)設(shè)備的精度，我們獲得的最重要的參數(shù)是頻率。我認(rèn)為這將是一個(gè)重要的技術(shù)進(jìn)步，因?yàn)樵谥?span onclick="sendmsg('pw_ajax.php','action=relatetag&tagname=系統(tǒng)',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_5">系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際中時(shí)，并沒(méi)有其他的校準(zhǔn)系統(tǒng)。”他拒絕評(píng)論哈佛的研究，因?yàn)檫@篇研究論文尚未通過(guò)同行評(píng)審過(guò)程。 瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院和烏爾姆大學(xué)的論文發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。 原文來(lái)源：http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/may/25/diamond-sensors-boost-NMR-resolution |
