近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰教授研究組與德國(guó)斯圖加特大學(xué)的J. Wrachtrup教授組合作，成功實(shí)現(xiàn)了（5nm）體積樣品質(zhì)子信號(hào)的檢測(cè)，取得微觀核磁共振技術(shù)的突破性進(jìn)展。該實(shí)驗(yàn)利用摻雜金剛石中距表面7納米深度的氮-空位單電子自旋作為原子尺度磁探針，分別實(shí)現(xiàn)了（5nm）體積液體和固體有機(jī)樣品中質(zhì)子信號(hào)的檢測(cè)，其中包括的質(zhì)子總數(shù)為一萬(wàn)個(gè)，其產(chǎn)生的磁信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)于100個(gè)統(tǒng)計(jì)極化的核自旋。此實(shí)驗(yàn)為微觀磁共振技術(shù)的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該研究成果于2月1日發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

自旋在物質(zhì)中廣泛存在，因而自旋磁共振技術(shù)能夠用來(lái)準(zhǔn)確、快速和無(wú)破壞性地獲取物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)上的信息，是當(dāng)代科學(xué)中最為重要的物質(zhì)探索技術(shù)之一。一般的自旋磁共振譜儀基于系綜探測(cè)原理，它的測(cè)試對(duì)象是含有百億個(gè)以上相同自旋的系綜樣品。然而，近年來(lái)隨著物質(zhì)科學(xué)探索的不斷深入，人們開(kāi)始逐漸從統(tǒng)計(jì)平均測(cè)量向直接探測(cè)單量子的信息邁進(jìn)。在自旋磁共振領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)微觀磁共振，甚至單自旋磁共振是這一方向發(fā)展的極為重要的科學(xué)目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這一科學(xué)目標(biāo)，杜江峰教授及其合作者選取了基于摻雜金剛石中氮-空位（NV）對(duì)的固態(tài)單自旋作為探針，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電探測(cè)方式，用基于此體系單自旋態(tài)制備成量子干涉儀，將微觀自旋體系產(chǎn)生的弱磁信號(hào)轉(zhuǎn)為干涉儀的相位，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度的信號(hào)檢測(cè)。

在雙方及其他合作者在相關(guān)領(lǐng)域已有的研究基礎(chǔ)上，中德科學(xué)家經(jīng)過(guò)兩年多的努力，逐步解決了此實(shí)驗(yàn)成功所需的關(guān)鍵技術(shù)：近表面NV的制備和處理及動(dòng)力學(xué)解耦。這兩項(xiàng)技術(shù)是首次成功實(shí)現(xiàn)（5nm）體積液體和固體有機(jī)樣品中質(zhì)子信號(hào)檢測(cè)不可或缺的基礎(chǔ)。