由中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一種基于金剛石氮-空位（NV）色心量子傳感器的新零場(chǎng)順磁共振方法，打破了傳統(tǒng)順磁共振信號(hào)強(qiáng)度對(duì)熱極化的依賴，將零場(chǎng)順磁共振的空間分辨率從厘米量級(jí)提升至納米級(jí)，為零場(chǎng)順磁共振的實(shí)用化開啟了一條新途徑。該研究成果以Nanoscale zero-field electron spin resonance spectroscopy 為題，發(fā)表在4月19日的《自然-通訊》上[Nature Communications 9, 1563 (2018)]。

非零場(chǎng)（左）和零場(chǎng)（右）順磁共振譜的對(duì)比圖?？梢钥闯雠c非零場(chǎng)下譜峰位置依賴分子取向不同，零場(chǎng)下譜線位置始終不變，使得不同取向的分子的疊加信號(hào)保持清晰。

電子順磁共振是當(dāng)代重要的物質(zhì)科學(xué)研究手段。例如，對(duì)于自旋標(biāo)記的生物分子樣品，可通過(guò)順磁共振技術(shù)獲取分子的動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)等重要信息。這些信息主要源于電子自旋的精細(xì)和超精細(xì)結(jié)構(gòu)，它們均可以從順磁共振譜中提取。但是由于磁場(chǎng)的存在，不同取向的分子會(huì)有不同的共振峰，從而不可避免地會(huì)引起譜線的非均勻展寬，使信息的獲取變得困難。目前技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向是通過(guò)不斷提高的強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)部分去除這種展寬的影響，但存在技術(shù)挑戰(zhàn)且成本高昂。而另一種簡(jiǎn)單直接的方式是不加磁場(chǎng)，此時(shí)自旋系統(tǒng)的能級(jí)結(jié)構(gòu)只取決于系統(tǒng)的內(nèi)稟相互作用，不再與分子取向有關(guān)，原則上可以完全移除非均勻展寬。這種稱之為零場(chǎng)順磁共振的方法在幾十年前就已經(jīng)提出，但是受探測(cè)原理限制，傳統(tǒng)順磁共振譜儀的探測(cè)靈敏度依賴于磁場(chǎng)大小，在零場(chǎng)下的探測(cè)靈敏度極低，往往需要厘米尺寸的樣品量來(lái)累積足夠大的熱極化下的磁信號(hào)，極大地限制了零場(chǎng)順磁共振方法的應(yīng)用。這導(dǎo)致該方法幾十年來(lái)止步不前，并未獲得廣泛應(yīng)用。

在該工作中，杜江峰團(tuán)隊(duì)針對(duì)零場(chǎng)順磁共振目前的困境，另辟蹊徑，采用了高靈敏度的金剛石NV色心量子傳感器和新穎的量子探測(cè)方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)零場(chǎng)順磁共振。金剛石NV色心是一種固態(tài)的自旋量子體系，因其在量子調(diào)控方面的優(yōu)秀性質(zhì)，在量子計(jì)算和量子精密測(cè)量方面有著重要的應(yīng)用前景。尤其是量子精密測(cè)量方向，近十年來(lái)發(fā)展迅猛，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單個(gè)生物分子的非零場(chǎng)順磁共振（杜江峰團(tuán)隊(duì)，Science 347, 1135 (2015)）。NV色心量子傳感器之所以具備如此超高靈敏度的磁探測(cè)能力，一方面是因?yàn)镹V色心尺寸極?。òＡ考?jí)），可以將NV色心放置得離待測(cè)目標(biāo)足夠近（納米量級(jí)）；另一方面是因?yàn)镹V色心采用量子干涉儀的探測(cè)原理，可以將微弱的磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為量子態(tài)的相位信息來(lái)讀出，靈敏度非常高。基于NV色心的微觀磁共振能夠達(dá)到納米級(jí)的空間分辨率和單個(gè)核自旋的高靈敏度，被認(rèn)為是對(duì)傳統(tǒng)磁共振技術(shù)的革命性突破。

但是，以往使用的基于NV色心的順磁共振技術(shù)并不能直接應(yīng)用到零場(chǎng)情形，因?yàn)樗枰獙?duì)目標(biāo)自旋進(jìn)行精確操控，這在零場(chǎng)下十分困難。在該工作中，研究人員提出一種新的方法，用精心設(shè)計(jì)的微波脈沖連續(xù)驅(qū)動(dòng)NV色心，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)功率可以連續(xù)調(diào)控NV的能級(jí)劈裂，當(dāng)其和目標(biāo)自旋的能級(jí)劈裂匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振信號(hào)，過(guò)程中并不涉及對(duì)目標(biāo)自旋的任何操控。實(shí)驗(yàn)上，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)NV色心周圍15納米范圍內(nèi)的約4個(gè)金剛石內(nèi)部電子自旋的零場(chǎng)檢測(cè)，獲得了清晰的零場(chǎng)順磁共振譜，并從中直接提取了目標(biāo)自旋的超精細(xì)常數(shù)。

這種新方法避開了非零場(chǎng)下譜線展寬的干擾，可以直接在納米尺度研究待測(cè)目標(biāo)的能級(jí)結(jié)構(gòu)，使得零場(chǎng)順磁共振技術(shù)在單分子尺度上的應(yīng)用成為可能。之前已經(jīng)有研究表明，電子自旋標(biāo)簽的超精細(xì)常數(shù)對(duì)分子所處的局域環(huán)境的電學(xué)性質(zhì)十分敏感，使用這一方法未來(lái)有望在單個(gè)分子尺度研究這種局域性質(zhì)。另外，該方法也可以用于解析電子-電子相互作用，如果在單個(gè)分子上標(biāo)記多個(gè)自旋標(biāo)簽，可以實(shí)現(xiàn)單分子的結(jié)構(gòu)解析。

中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生孔飛和趙鵬舉為該文并列第一作者，教師石發(fā)展和杜江峰為該文并列通訊作者。該研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院和安徽省的資助。