2019-12-29 04:22:15 科學之美

核磁共振(NMR)光譜是物化分析的重要方法之一，可以用來確定精確的分子結構和動力學。蘇黎世聯邦理工學院兩位

諾貝爾獎得主理查德•恩斯特和庫爾特•伍特里奇對改進這種方法的貢獻得到了認可，這也證明了這種方法的重要性。這項技術基於核磁共振技術，利用了某些原子核與磁場相互作用的事實，這裡的一個關鍵因素是核自旋，它可以與兒童陀螺的自旋相比較。

與頂部開始晃動(一種稱為旋進的現象)類似，暴露在磁場中的核自旋也開始進動。這產生了一個電磁信號，可以測量使用感應線圈。核磁共振(NMR)譜學是一種分析分子結構和功能，以及對其自旋密度進行三維成像的強大技術。核磁共振波譜儀的核心是檢測電磁輻射，它以自由感應衰減信號的形式存在，這種信號是由外加磁場周圍原子核的進動產生。

更高分辨率

蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)固體物理學教授克里斯蒂安•德根(Christian Degen)領導的一組研究人員開發了一種新方法，使直接跟蹤單個核自旋的進動成為可能。相比之下，傳統的核磁共振測量通常需要至少10^12到10^18個原子核才能記錄測量信號,在項目中，ETH研究人員分析了鑽石中碳13原子的行為。沒有使用傳統方法來測量碳原子核的進動，而是使用了N-V中心相鄰電子的自旋作為傳感器——這是鑽石晶體晶格的缺陷。

德根團隊的博士生克里斯蒂安•庫賈(Kristian Cujia)這樣總結了這一原理：我們使用第二個量子系統來研究第一個量子系統的行為。通過這種方式，創造了一種非常敏感的測量方法。目前還不清楚連續檢測自由感應衰減是否仍然可以應用於單自旋水平，或者量子反向作用(探測器對測量本身的影響)是否會改變或抑制核磁共振響應。

未來應用潛力

量子系統很難確定，因為任何測量也會影響被觀測的系統。因此，研究人員無法連續跟蹤進動，它的運動將會被徹底改變。為了解決這個問題，開發了一種特殊的測量方法，通過一系列快速連續的弱測量來捕獲碳原子的自旋。因此能夠保持觀察的影響是如此之小，以至於不影響系統的可測量性，留下原來的圓周運動感覺，該方法為核磁共振技術的顯著進步鋪平了道路。

這可能使我們能夠直接記錄單個分子的光譜，並在原子水平上分析結構。作為第一個例子，物理學家用原子分辨率確定了金剛石晶格中碳核的三維位置。物理學家們看到了這一發展的巨大潛力。這種詳細的核磁共振測量可以在許多領域帶來全新見解，就像近幾十年來傳統的核磁共振光譜一樣，其研究發表在《自然》上。