自旋在物质中广泛存在,因而自旋磁共振技术能够用来准确、快速和无破坏性地获取物质的组成和结构上的信息,是当代科学中最为重要的物质探索技术之一。一般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。然而,近年来随着物质科学探索的不断深入,人们开始逐渐从统计平均测量向直接探测单量子的信息迈进。在自旋磁共振领域,实现微观磁共振,甚至单自旋磁共振是这一方向发展的极为重要的科学目标。为实现这一科学目标,杜江峰教授及其合作者选取了基于掺杂金刚石中氮-空位(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。
在双方及其他合作者在相关领域已有的研究基础上,中德科学家经过两年多的努力,逐步解决了此实验成功所需的关键技术:近表面NV的制备和处理(Wrachtrup's group, NJP 12, 065017, 2010)及动力学解耦(Du's group, Nature 461, 1265, 2009)。这两项技术是首次成功实现(5nm)体积液体和固体有机样品中质子信号检测不可或缺的基础。
2月1日出版的同期《科学》杂志上[Science 339, 561 (2013)],还发表了另一篇类似工作[Science 339, 557 (2013)],这是由美国IBM的D. Rugar和美国加利福尼亚大学圣芭芭拉的D. Awschalom合作完成的,他们同样利用NV磁探针,成功实现了(24nm)体积有机样品的核磁信号的检测。本期杂志上,由P. Hemmer撰写的评论称,此两项工作“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)]
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