Een hoge-resolutie paramagnetische resonantiedetectiemethode op basis van de diamant-stikstof-vacature (NV) kleurcentrum-quantumsensor werd voorgesteld en experimenteel geïmplementeerd in een onderzoek onder leiding van academicus DU Jiangfeng van CAS Key Laboratory of Microscale Magnetic Resonance van University of Science and Technology of China (USTC) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS).

De onderzoekers verkregen het single-spin paramagnetische resonantiespectrum met kilohertz (kHz) spectrale resolutie. De studie is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Een belangrijke ontwikkelingstrend van elektronenparamagnetische resonantiespectroscopie is het verkrijgen van zo nauwkeurig mogelijke informatie uit zo min mogelijk monsters, wat een verbetering van zowel de ruimtelijke resolutie als de spectrale resolutie vereist. In de afgelopen decennia, de ruimtelijke resolutie is aanzienlijk verbeterd, en de detectie van single-spin paramagnetische resonantie bereikte zelfs de nanoschaal dankzij de opkomst van nieuwe detectietechnologie. Echter, de spectrale resolutie blijft in de megahertz (MHz) schaal vanwege oncontroleerbare externe ruis. Daarom, er moet een nieuwe methode worden gevonden om de huidige beperking van de spectrale resolutie veroorzaakt door ruis te doorbreken.

Een meer directe en effectieve manier is om de gemeten spin van nature ongevoelig te maken voor externe ruis. Een bepaald soort spintoestanden kan de verstoring van externe magnetische veldruis weerstaan, en de spectraallijnen die door elektron worden gegenereerd wanneer ze tussen deze spintoestanden overgaan, zullen worden versmald. In eerder onderzoek is gemeld dat dit fenomeen ook bestaat voor een soort paramagnetisch materiaal onder een magnetisch veld van nul. Echter, de detectiegevoeligheid van traditionele paramagnetische resonantietechnologie is gerelateerd aan de grootte van het magnetische veld, en de detectie-efficiëntie in het nulveld is extreem laag, wat de praktische toepassing beperkt.

Daarom, de onderzoekers gebruikten NV kleurcentrum kwantumsensor in diamant om paramagnetische resonantie te detecteren. Eerder werk heeft aangetoond dat het NV-kleurencentrum nog steeds een detectiegevoeligheid voor enkelvoudige spinniveaus heeft, zelfs bij een nulveld.

Om de vernauwing van de spectraallijnen waar te nemen en spectroscopiedetectie met hoge resolutie te realiseren, het is ook noodzakelijk om de verbreding van de spectraallijn veroorzaakt door de NV-sensor zelf te elimineren. Geïnspireerd door de correlatiedetectie in nucleaire magnetische resonantie (NMR), Het team van DU ontwierp een paramagnetische resonantiecorrelatiereeks die geschikt is voor nulveld, die de intrinsieke verbreding van NV-sensoren sterk onderdrukte.

Met behulp van deze nieuwe methode, ze hebben met succes de versmallende overgang van de elektronenspin van een enkel stikstofatoom in diamant gedetecteerd in hun experiment. Vergeleken met de traditionele methode, de spectrale resolutie is 27 keer aanzienlijk verbeterd, het bereiken van 8,6 kHz.

Deze experimentele resultaten toonden aan dat de paramagnetische resonantietechnologie op basis van NV-kwantumsensor zowel een hoge ruimtelijke als een hoge spectrale resolutie kan bereiken. Tegelijkertijd, deze methode wordt niet beperkt door zware omgevingsomstandigheden (zoals vacuüm of lage temperatuur), die zeer concurrerend is in biologische toepassingen. Meer gedetailleerde informatie over structurele, dynamische veranderingen en lokale omgevingskenmerken van een enkel molecuul kunnen worden geanalyseerd.