麻省理工:发明量子传感器可测量原子级尺度磁场!

最近,德克萨斯A&M大学的研究人员将磁共振成像(Magnetic Resonance
Imaging,MRI)技术的空间分辨率从几个微米提高到了几个纳米的的尺度,这一进展使得这种装置目前能够对单个蛋白质分子进行成像。

麻省理工学院研究人员发明了一种测量原子尺度磁场的新方法,不仅可以测量上下磁场,还可以测量横向磁场。这个新工具可以应用于各种各样的领域,如绘制神经元内部的电脉冲图、表征新磁性材料以及探测奇异的量子物理现象。今天(2019年3月15日)在《物理评论快报》(Physical
Review
Letters)期刊上发表的一篇论文中,对这种新方法进行了描述。论文作者是研究生刘一祥、前研究生阿肖克•阿乔伊(Ashok
Ajoy)和核科学与工程教授保拉•卡佩拉罗(Paola Cappellaro)。

由中国科学院院士、中国科学技术大学教授杜江峰领导的中国科学院微观磁共振重点实验室提出并实验实现了一种基于金刚石氮-空位色心量子传感器的新零场顺磁共振方法,打破了传统顺磁共振信号强度对热极化的依赖,将零场顺磁共振的空间分辨率从厘米量级提升至纳米级,为零场顺磁共振的实用化开启了一条新途径。该研究成果以Nanoscale
zero-field electron spin resonance spectroscopy

为题,发表在4月19日的《自然-通讯》上[NatureCommunications 9, 1563
]。

此前,已有其他技术可以对分子进行成像,比如原子力显微镜、电子显微镜和磁共振力显微镜等,但是上述方法都有各自的局限性,对样品和环境有特殊的要求,还有可能对样品造成损伤。而由Philip
Hemmer教授领导的团队所开发的这种新方法,可以在常温、大气的环境下对单个蛋白质分子进行无损伤的探测。

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电子顺磁共振是当代重要的物质科学研究手段。例如,对于自旋标记的生物分子样品,可通过顺磁共振技术获取分子的动力学、结构等重要信息。这些信息主要源于电子自旋的精细和超精细结构,它们均可以从顺磁共振谱中提取。但是由于磁场的存在,不同取向的分子会有不同的共振峰,从而不可避免地会引起谱线的非均匀展宽,使信息的获取变得困难。目前技术发展的一个方向是通过不断提高的强磁场来部分去除这种展宽的影响,但存在技术挑战且成本高昂。而另一种简单直接的方式是不加磁场,此时自旋系统的能级结构只取决于系统的内禀相互作用,不再与分子取向有关,原则上可以完全移除非均匀展宽。这种称之为零场顺磁共振的方法在几十年前就已经提出,但是受探测原理限制,传统顺磁共振谱仪的探测灵敏度依赖于磁场大小,在零场下的探测灵敏度极低,往往需要厘米尺寸的样品量来累积足够大的热极化下的磁信号,极大地限制了零场顺磁共振方法的应用。这导致该方法几十年来止步不前,并未获得广泛应用。

这种新方法主要是利用了金刚石中的氮-空位(nitrogen-vacancy,N-V)结构,如图所示,在金刚石的晶格中,有一个碳原子被氮原子取代,并且在相邻的位置有一个碳原子的空位。这种结构对弱磁场非常敏感,而且这种测量具有非常好的空间选择性,因此可以利用N-V结构对具体到单个原子核所产生的微弱磁场(原子核的固有磁矩)进行探测,从而实现对单个分子的成像,而不是像之前的同类方法只能对一定数量样品的集体平均效应进行测量。此外,这种结构十分稳定,并不需要低温、真空等苛刻的实验条件。

博科园-科学科普:这项技术建立在一个已经开发出来的平台上,利用金刚石中被称为氮空位中心的微小缺陷,以高精度探测磁场。这些缺陷包括金刚石有序的碳原子晶格中两个相邻碳原子缺失的位置;其中一个被一个氮原子取代,另一个则是空的。这使得结构中缺少键,电子对周围环境的微小变化非常敏感,无论是电、磁还是光。以前使用单个NV中心来探测磁场是非常精确的,但只能测量沿着与传感器轴对齐的单一维度变化。但是对于某些应用,比如通过测量每个脉冲的确切方向来绘制神经元之间的连接,测量磁场横向分量也会很有用。

在该工作中,杜江峰团队针对零场顺磁共振目前的困境,另辟蹊径,采用了高灵敏度的金刚石NV色心量子传感器和新颖的量子探测方法,来实现零场顺磁共振。金刚石NV色心是一种固态的自旋量子体系,因其在量子调控方面的优秀性质,在量子计算和量子精密测量方面有着重要的应用前景。尤其是量子精密测量方向,近十年来发展迅猛,已经实现了单个生物分子的非零场顺磁共振(杜江峰团队,Science
347, 1135
。NV色心量子传感器之所以具备如此超高灵敏度的磁探测能力,一方面是因为NV色心尺寸极小,可以将NV色心放置得离待测目标足够近;另一方面是因为NV色心采用量子干涉仪的探测原理,可以将微弱的磁信号转化为量子态的相位信息来读出,灵敏度非常高。基于NV色心的微观磁共振能够达到纳米级的空间分辨率和单个核自旋的高灵敏度,被认为是对传统磁共振技术的革命性突破。

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但是,以往使用的基于NV色心的顺磁共振技术并不能直接应用到零场情形,因为它需要对目标自旋进行精确操控,这在零场下十分困难。在该工作中,研究人员提出一种新的方法,用精心设计的微波脉冲连续驱动NV色心,通过改变驱动功率可以连续调控NV的能级劈裂,当其和目标自旋的能级劈裂匹配时会产生共振信号,过程中并不涉及对目标自旋的任何操控。实验上,研究人员成功实现了对NV色心周围15纳米范围内的约4个金刚石内部电子自旋的零场检测,获得了清晰的零场顺磁共振谱,并从中直接提取了目标自旋的超精细常数。

金刚石中的N-V结构。C表示碳原子,N表示氮原子,V表示空位。图片来源:

图片:CC0 Public Domain

这种新方法避开了非零场下谱线展宽的干扰,可以直接在纳米尺度研究待测目标的能级结构,使得零场顺磁共振技术在单分子尺度上的应用成为可能。之前已经有研究表明,电子自旋标签的超精细常数对分子所处的局域环境的电学性质十分敏感,使用这一方法未来有望在单个分子尺度研究这种局域性质。另外,该方法也可以用于解析电子-电子相互作用,如果在单个分子上标记多个自旋标签,可以实现单分子的结构解析。

“MRI的分辨率可以达到原子级别,但是必须要在足够小的尺度上进行测量,这就是挑战所在。”Philip
Hemmer教授在接受果壳网采访时这样说到。该工作的主要贡献者Tobias
Staudacher和Friedemann
Reinhard在采访中表示,在未来,这种技术有可能对单个分子进行三维“拍照”,即通过对构成分子的每一个原子进行精确测量,来得到整个分子的结构。这对分子生物学和材料科学都有着十分重要的意义。此外,这种结构还能够对量子位(Qubits)或量子门进行测量和操作,也许可以在量子计算领域里一展身手。

本质上,新方法通过利用氮原子核自旋提供的二次振荡器来解决这个问题。被测场的侧向分量推动次级振荡器方向。通过使其稍微偏离轴,侧向分量会引起一种抖动,这种抖动表现为与传感器对齐的磁场的周期性波动,从而将垂直分量变成叠加在主静态磁场测量上的波型。然后可以用数学方法将其转换回来,以确定侧向分量的大小。该方法在第二维和第一维中提供了同样的精度,同时仍然使用单个传感器,从而保持了其纳米级的空间分辨率。为了读出结果,研究人员使用了光学共焦显微镜,该显微镜利用了NV中心的一种特殊性质:

中科院微观磁共振重点实验室博士生孔飞和赵鹏举为该文并列第一作者,教师石发展和杜江峰为该文并列通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和安徽省的资助。

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