En högupplöst paramagnetisk resonansdetektionsmetod baserad på diamond nitrogen-vacancy (NV) färgcentrum kvantsensor föreslogs och implementerades experimentellt i en studie ledd av akademikern DU Jiangfeng från CAS Key Laboratory of Microscale Magnetic Resonance vid University of Science and Technology i Kina (USTC) från den kinesiska vetenskapsakademin (CAS).

Forskarna fick det paramagnetiska resonansspektrumet med enkelspin med kilohertz (kHz) spektral upplösning. Studien publicerades i Vetenskapens framsteg .

En viktig utvecklingstrend för elektronparamagnetisk resonansspektroskopi är att få så exakt information som möjligt från så få prover som möjligt, vilket kräver förbättring av både rumslig upplösning och spektral upplösning. Under de senaste decennierna, den rumsliga upplösningen har förbättrats avsevärt, och detekteringen av enkelspinns paramagnetisk resonans nådde till och med nanoskalan på grund av uppkomsten av ny detektionsteknologi. Dock, spektralupplösningen förblir i megahertz-skalan (MHz) på grund av okontrollerbart externt brus. Därför, en ny metod måste hittas för att bryta igenom den nuvarande begränsningen av spektral upplösning som orsakas av brus.

Ett mer direkt och effektivt sätt är att göra den uppmätta spinn naturligt okänslig för externt brus. En viss typ av spinntillstånd kan motstå störningen av externt magnetfältsbrus, och de spektrallinjer som genereras av elektroner när de passerar mellan dessa spinntillstånd kommer att minskas. Det har rapporterats att detta fenomen även existerar för ett slags paramagnetiskt material under noll magnetfält i tidigare forskning. Dock, detekteringskänsligheten för traditionell paramagnetisk resonansteknologi är relaterad till magnituden av magnetfält, och detektionseffektiviteten i nollfält är extremt låg, vilket begränsar den praktiska tillämpningen.

Därför, forskarna använde NV färgcentrum kvantsensor i diamant för att detektera paramagnetisk resonans. Tidigare arbete har visat att NV-färgcentret fortfarande har en känslighet för detektering av enspinnivå även vid nollfält.

För att observera avsmalningen av spektrallinjerna och realisera högupplöst spektroskopi-detektion, det är också nödvändigt att eliminera breddningen av spektrallinjen som orsakas av själva NV-sensorn. Inspirerad av korrelationsdetektering i kärnmagnetisk resonans (NMR), DU:s team designade en paramagnetisk resonanskorrelationssekvens lämplig för nollfält, vilket kraftigt undertryckte den inneboende breddningen av NV-sensorer.

Med denna nya metod, de upptäckte framgångsrikt den avsmalnande övergången av elektronspinnet hos en enda kväveatom i diamant i deras experiment. Jämfört med den traditionella metoden, spektralupplösningen har förbättrats avsevärt med 27 gånger, når 8,6 kHz.

Dessa experimentella resultat visade att den paramagnetiska resonansteknologin baserad på NV kvantsensor kan uppnå både hög rumslig och hög spektral upplösning. På samma gång, denna metod är inte begränsad av hårda miljöförhållanden (som vakuum eller låg temperatur), som är mycket konkurrenskraftig i biologiska tillämpningar. Mer detaljerad information om strukturella, dynamiska förändringar och lokala miljöegenskaper hos en enskild molekyl kan analyseras.