Un método de detección de resonancia paramagnética de alta resolución basado en el sensor cuántico de centro de color de vacancia de nitrógeno (NV) de diamante se propuso e implementó experimentalmente en un estudio dirigido por el académico DU Jiangfeng del Laboratorio clave CAS de resonancia magnética a microescala de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia China de Ciencias (CAS).

Los investigadores obtuvieron el espectro de resonancia paramagnética de un solo espín con una resolución espectral de kilohercios (kHz). El estudio fue publicado en Avances de la ciencia .

Una de las principales tendencias de desarrollo de la espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica es obtener información lo más precisa posible de la menor cantidad de muestras posible, lo que requiere mejorar tanto la resolución espacial como la resolución espectral. En décadas recientes, la resolución espacial se ha mejorado considerablemente, y la detección de resonancia paramagnética de un solo espín llegó incluso a la nanoescala debido a la aparición de una nueva tecnología de detección. Sin embargo, la resolución espectral permanece en la escala de megahercios (MHz) debido al ruido externo incontrolable. Por lo tanto, Es necesario encontrar un nuevo método para superar la limitación actual de resolución espectral causada por el ruido.

Una forma más directa y eficaz es hacer que el giro medido sea naturalmente insensible al ruido externo. Cierto tipo de estados de espín pueden resistir la perturbación del ruido del campo magnético externo, y las líneas espectrales generadas por el electrón cuando transitan entre estos estados de espín se reducirán. Se ha informado que este fenómeno también existe para una especie de material paramagnético bajo campo magnético cero en investigaciones anteriores. Sin embargo, la sensibilidad de detección de la tecnología de resonancia paramagnética tradicional está relacionada con la magnitud del campo magnético, y la eficiencia de detección en campo cero es extremadamente baja, lo que limita la aplicación práctica.

Por lo tanto, Los investigadores utilizaron un sensor cuántico de centro de color NV en diamante para detectar resonancia paramagnética. Trabajos anteriores han demostrado que el centro de color NV todavía tiene sensibilidad de detección de nivel de giro único incluso en campo cero.

Para observar el estrechamiento de las líneas espectrales y realizar una detección espectroscópica de alta resolución, También es necesario eliminar el ensanchamiento de la línea espectral provocado por el propio sensor NV. Inspirado en la detección de correlación en resonancia magnética nuclear (RMN), El equipo de DU diseñó una secuencia de correlación de resonancia paramagnética adecuada para campo cero, lo que suprimió en gran medida la ampliación intrínseca de los sensores NV.

Usando este nuevo método, en su experimento detectaron con éxito la transición cada vez más estrecha del espín electrónico de un solo átomo de nitrógeno en el diamante. Comparado con el método tradicional, la resolución espectral se ha mejorado considerablemente en 27 veces, alcanzando 8,6 kHz.

Estos resultados experimentales mostraron que la tecnología de resonancia paramagnética basada en el sensor cuántico NV puede lograr una alta resolución espacial y espectral. Al mismo tiempo, este método no está limitado por condiciones ambientales adversas (como vacío o baja temperatura), que es muy competitivo en aplicaciones biológicas. Información más detallada de estructura, Se pueden analizar los cambios dinámicos y las características ambientales locales de una sola molécula.