直接追踪单个原子核?像陀螺一样自旋,核磁共振技术再次提升!

  • 日期:08-18
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核磁共振(NMR)光谱是物理化学分析的重要方法之一,可用于确定精确的分子结构和动力学。苏黎世理工学院的两位诺贝尔奖获得者Richard Ernst和Kurt Utrich对改进这种方法的贡献也证明了这种方法的重要性。

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该技术基于NMR技术,并利用了一些核与磁场相互作用的事实。这里的一个关键因素是核自旋,它可以与儿童陀螺仪的旋转进行比较。

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类似于摇摆的开始(称为岁差的现象),暴露于磁场的核自旋也开始进动。这产生可以使用感应线圈测量的电磁信号。核磁共振(NMR)光谱是分析结构和功能以及其自旋密度的三维成像的有力技术。核磁共振光谱仪的核心是电磁辐射的检测,其以由施加的磁场周围的原子核进动产生的自由感应衰减信号的形式存在。

苏黎世联邦理工学院固体物理学教授Christian Degen领导的一组研究人员开发了一种新方法,可以直接跟踪单个核自旋的进动。相比之下,传统的NMR测量通常需要至少10 ^ 12至10 ^ 18个核来记录测量信号。在该项目中,ETH研究人员分析了钻石中碳13原子的行为。不是使用传统方法来测量碳核的进动,而是将N-V中心的相邻电子自旋用作传感器 - 这是钻石晶格中的缺陷。

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Degen团队的博士生Kristian Cujia总结了这一原则:我们使用第二个量子系统来研究第一个量子系统的行为。通过这种方式,可以创建一种非常灵敏的测量方法。目前还不清楚是否仍然可以将自由感应衰减的连续检测应用于单自旋水平,或者量子反转(检测器对测量本身的影响)是否会改变或抑制NMR响应。

量子系统很难确定,因为任何测量都会影响被观察的系统。因此,研究人员不能继续跟随岁差,其运动将彻底改变。为了解决这个问题,开发了一种特殊的测量方法,通过一系列快速连续的弱测量来捕获碳原子的自旋。保持观测结果如此之小的能力是它不会影响系统的可测量性,留下原始的圆周运动感,这为核磁共振技术的重大进步铺平了道路。

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这可以让我们直接记录单个分子的光谱并在原子水平上分析结构。作为第一个例子,物理学家使用原子分辨率来确定钻石晶格中碳核的三维位置。物理学家已经看到了这种发展的巨大潜力。这种详细的核磁共振测量可以在许多领域带来新的见解,就像最近几十年的传统核磁共振光谱一样,其研究发表在《自然》。