基于钻石的传感器提高核磁共振的分辨率

三个独立的物理学研究小组分别开发出了一种新的方法可提高量子磁传感器。该技术已被用于实现核磁共振（NMR）光谱的巨大改进过程中。

　　量子传感是用来测量在多个领域的物理频率，但对于一个量子传感器用来衡量任何东西时，它必须与环境相互作用。这就会很快降低它的量子特性，这也限制了测量的精度。

　　然而，现在，三个研究小组已经独立使用经典的时钟同步实现了多个量子测量，使频率测量精度高达1亿倍，这比以前的任何一个量子传感器都要高。另外一个研究小组接着证明了前所未有的精度，即在微米级的核磁共振光谱。

　　三组研究人员分别来自瑞士联邦理工学院、德国的乌尔姆大学和美国的哈佛大学，使用钻石中心的带负电荷的氮空位（NV）实现。当碳晶格中的两个相邻的碳原子被氮原子和空位所取代时，就会发生这些特殊的现象。氮空位中心的自旋态可以用光来控制和测量，并且对磁场也非常敏感。

　　而传统的线圈检测器用于核磁共振光谱和磁共振成像（MRI）需要大量的样品，原子尺度氮空位中心可以放在分子旁边实现“纳米核磁共振”实验，这将会是越来越普遍的。2016年，哈佛大学和乌尔姆大学的研究人员通过在表面植入了氮空位的钻石可用于检测蛋白质分子，甚至可以通过由氮空位中心检测场频率的变化情况推断的一些结构特征。

　　空间光谱

　　要确定使用纳米核磁共振的大分子的结构，需要更好的光谱分辨率，从而才能实现核心测量所要求的精确度，同时实现化学环境的检测。“你可以对信号取样范围的时间长度，可以确定其光谱分辨率的长度，”Kristian Cujia解释道，他是瑞士联邦理工学院团队的成员。不幸的是，一个氮空位中心的相干量子态在于环境相互作用后仅仅在几微秒内就会崩溃。

　　这样短的测量时间显然具有很大的不确定性。更糟糕的是，为了提高钻石的空间分辨率，研究人员往往将氮空位中心植入更密集或更接近表面。这使得氮空位中心接近样品，使它们对于磁场更加敏感，但这种结构也使他们变得不太孤立，导致退相干过程发生地更快，进一步降低光谱分辨率。

　　研究人员可以通过简单地进行多个测量来提高磁共振中心的磁灵敏度。由于连续测量的误差是不相关的，精度提高，因为更多的测量。然而，光谱分辨率在这样的重复过程中并不能提高，并且与测量不相关。如今，这三个团队已经克服了这个问题，通过同步外部时钟进行重复氮空位的磁测量。这使他们能够跟踪时间，甚至在退相干发生时也能够继续。

　　“通常情况下，你必须把你的下一次测量作为一个独立的测量，“乌尔姆大学的Liam McGuinness解释说。“当我们做下一个测量时，我们已经有一个钟在跟踪时间。这让我们将一系列测量结果拼接在一起。”事实上，研究人员可以对一个可以无限监控的氮空位中心进行测量，有效地消除了氮空位退相干的局限性。所有研究小组均能够实现亚毫赫兹精度下的兆赫兹频率范围内的测量，相比其它方法所测量协的光谱分辨率要高将近一百万倍。

　　McGuinness和他的同事们用他们的测量协议进行聚丁烯在纳米尺度大小的核磁共振谱测量。然而，研究人员遇到的一个问题：“我们的所测的分子扩散到我们氮空位中心中，”McGuinness解释道。这限制了研究人员可以观察到一个单一的分子的时间长度，这也阻碍了他们获得优于约1千赫的分辨率。

　　然而，哈佛研究小组想出了一个解决这个问题的测量协议可实现同一钻石上氮空位中心的测量的集成。这意味着，他们的样本量稍大（微米大小），他们的测量遭受分子扩散的影响少得多。以目前的技术，你不能有效地使用同步读出技术的高光谱分辨率核磁共振在纳米尺度上，由于对样品的自旋极化阻碍了小的核磁共振信号，并且相干检测是随机波动的，”哈佛的Ronald Walsworth说。“但在微米尺度，你可以。”

　　哈佛大学的研究人员获得的分辨率高达3赫兹，这种尺度比使用氮空位中心的核磁共振成像几乎小了100倍。他们还观察到许多用来解释首次包括J-耦合的核磁共振信号的重要特征。”这开创了一个全新的微米尺度的核磁共振技术，将打开潜在的细胞内的核磁共振的技术新大门，” Walsworth说。下一步，它们将会尝试使用氮空位中心核磁共振进行真正的新科学。

　　McGuinness说，新协议是一个“通用技术”，可以找到应用程序超出氮空位中心的核磁共振。“我们提出的技术类似外差法或关注焦点的检测。如果你有一个弱激光，你想测量它的频率，你采取另一个非常强大的激光混合加入其中，然后一起衡量其特征。在这里，我们不是采取一个经典的激光，我们采取了量子传感器。”

　　进步的技术

　　没有参与到这项研究的理论物理学家Andrew Jordan说，瑞士联邦理工学院和乌尔姆大学的研究论文代表了这一领域的最新研究进展。由于这套我们所设计的计时设备的精度，我们获得的最重要的参数是频率。我认为这将是一个重要的技术进步，因为在之前系统应用到实际中时，并没有其他的校准系统。”他拒绝评论哈佛的研究，因为这篇研究论文尚未通过同行评审过程。

　　瑞士联邦理工学院和乌尔姆大学的论文发表在《科学》杂志上。

　　原文来源：http://physicsworld.com/cws/article/news/2017/may/25/diamond-sensors-boost-NMR-resolution

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