中国科大实现基于金刚石量子传感的并行加速电子顺磁共振谱学探测-新闻中心-科技有限公司

中国科大实现基于金刚石量子传感的并行加速电子顺磁共振谱学探测

发布时间：2025-04-15 10:00:28

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【导语】中国科学技术大学自旋磁共振实验室的研究团队在金刚石量子传感领域取得了突破性进展。石发展、孔飞等人成功开发了基于金刚石量子传感的并行加速电子顺磁共振（EPR）谱学方法，实现了自由基光化学反应动态过程的实时监测。这一创新成果不仅发表在《物理评论快报》上，而且为纳米尺度电子自旋的高速并行探测提供了新的技术手段，有望为二维材料研究、生物化学反应监测及自旋标签探针的优化等领域带来深远影响。

中国科学技术大学自旋磁共振实验室石发展、孔飞等人开发了基于金刚石量子传感的并行加速电子顺磁共振（ElectronParamagneticResonance, EPR）谱学方法，实现了自由基光化学反应动态过程的实时监测。这项成果最近以“Parallel Accelerated Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy Using Diamond Sensors”为(wèi)题(tí)，发(fā)表(biǎo)在(zài)《物(wù)理(lǐ)评(píng)论(lùn)快(kuài)报(bào)》上(shàng)。

金(jīn)刚(gāng)石(shí)氮(dàn)-空(kōng)位(wèi)（NV）色(sè)心(xīn)具(jù)有(yǒu)纳(nà)米(mǐ)尺(chǐ)度(dù)的(de)单(dān)自(zì)旋(xuán)EPR探(tàn)测(cè)能(néng)力(lì)，但(dàn)单(dān)自(zì)旋(xuán)检(jiǎn)测(cè)通(tōng)常(cháng)耗(hào)时(shí)较(jiào)长(zhǎng)而(ér)难(nán)以(yǐ)观(guān)测(cè)EPR谱(pǔ)的(de)动(dòng)态(tài)变(biàn)化(huà)过(guò)程(chéng)。为(wèi)解(jiě)决(jué)上(shàng)述(shù)问(wèn)题(tí)，研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)在(zài)前(qián)期(qī)所(suǒ)发(fā)展(zhǎn)的(de)零(líng)场(chǎng)磁(cí)共(gòng)振(zhèn)技(jì)术(shù)[Nat.Commun.9，1563（2018）,Sci.Adv.6，eaaz8244（2020）]和(hé)原(yuán)位(wèi)磁(cí)共(gòng)振(zhèn)技(jì)术(shù)[Nat.Commun.14，6278（2023）]的(de)基(jī)础(chǔ)上(shàng)，开(kāi)发(fā)了(le)对(duì)目(mù)标(biāo)待(dài)测(cè)自(zì)旋(xuán)分(fēn)子(zi)朝(cháo)向(xiàng)、NV色(sè)心(xīn)朝(cháo)向(xiàng)、操(cāo)控(kòng)场(chǎng)均(jūn)匀(yún)性(xìng)以(yǐ)及(jí)目(mù)标(biāo)自(zì)旋(xuán)弛(chí)豫(yù)时(shí)间(jiān)（即(jí)T1时(shí)间(jiān)）均(jūn)具(jù)有(yǒu)高(gāo)容(róng)忍(rěn)度(dù)的(de)磁(cí)共(gòng)振(zhèn)检(jiǎn)测(cè)技(jì)术(shù)，从(cóng)而(ér)可(kě)以利用金刚石表面大量NV色心和待测自旋实现高效并行地检测（如图1所示）。该技术方法中，零场技术用于消除目标自旋的取向依赖性谱线展宽，原位技术通过幅度调制微波序列同步调控大规模NV系综的响应频率，交叉弛豫式探测技术用于提升并行测量灵敏度。当前用17微米尺度范围内NV色心实现对纳米厚度自由基信号的检测，可以达到0.1秒的探测时间精度，该方法后续可以利用更大的如毫米尺度NV系综体系进一步提升探测效率。

图1：并行加速探测方案。（a）金刚石NV色心探测电子自旋示意图。（b）交叉弛豫探测原理示意图。（c）基于交叉弛豫的EPR谱学探测原理示意图。

基于上述方法，研究人员展示了生物化学领域常用的自旋标签氮氧自由基的零场超精细谱。受益于并行探测方法的高效性，谱线的时间变化信息能够被提取出来，实时观察到自由基EPR谱的动态变化过程，包括信号峰面积逐渐减小、信号峰宽逐渐变窄（如图2所示）。对该现象的进一步研究发现，EPR信号衰减速率所照射的光功率密度基本呈线性依赖关系，证明了这一动态变化由光化学反应引起。