背景

       核磁共振（NMR）和核磁共振成像（MRI）技術(shù)，諸如量子信息處理和核自旋電子技術(shù)，均基于一種電子和原子核自旋的內(nèi)在量子性質(zhì)。電子和原子核像條形磁鐵一樣能夠以定向狀態(tài)上下自旋。NMR/MRI信號(hào)則依靠被極化的核自旋在某一方向上進(jìn)行指向。極化作用越大，信號(hào)則越強(qiáng)烈。

       美國(guó)能源局的Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，近日發(fā)表最新研究報(bào)告，在多個(gè)級(jí)數(shù)的調(diào)整下，金剛石碳13核自旋超極化的實(shí)驗(yàn)極大地增強(qiáng)了NMR/MRI的敏感性。
       作為Berkeley實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部Alexander Pines和Dmitry Budker的合作研究項(xiàng)目之一，Vikram Bajaj主持領(lǐng)導(dǎo)了對(duì)人造金剛石晶體碳13核自旋的完整磁控超極化實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)工作建立在Budker 和Jeffrey Reimer的早期國(guó)際科研項(xiàng)目合作的基礎(chǔ)上；這種自旋超極化由冰箱式磁鐵來(lái)完成，并對(duì)碳13超級(jí)化進(jìn)行可預(yù)測(cè)的、穩(wěn)定的控制。研究提出一種實(shí)驗(yàn)路徑，利用分子和生物分子檢測(cè)設(shè)備、金剛石量子信息處理以及核自旋電子設(shè)備等對(duì)NMR和MRI進(jìn)行敏感性增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)。

       “近乎完整的碳13核自旋極化對(duì)于任何一個(gè)需要純凈初始自旋狀態(tài)的過(guò)程來(lái)說(shuō)，都十分的理想和完美”，Bajaj稱(chēng)，“此外，我們的方法對(duì)于任何大批量原子核超極化也應(yīng)該適用，包括動(dòng)態(tài)核極化增強(qiáng)型NMR和自旋電子設(shè)備”。

       該項(xiàng)目由Pines科研團(tuán)隊(duì)的資深科學(xué)家Bajaj，發(fā)表在Nature Communications雜志上，原題為金剛石核自旋超級(jí)化的靈敏磁控研究。除了Bajaj 和 Pines，其他合作者還有Hai-Jing Wang， Chang Shin， Claudia Avalos， Scott Seltzer 和 Dmitry Budke。

       在過(guò)去數(shù)十年的時(shí)間里，Pines和他的團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)無(wú)數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)核自旋的超極化，他們已經(jīng)研制出比一般的NMR和MRI實(shí)驗(yàn)強(qiáng)一萬(wàn)倍的NMR/MRI信號(hào)；在幾項(xiàng)設(shè)備應(yīng)用中，他們已經(jīng)能夠在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下記錄并分析詳細(xì)的磁共振光譜。在此次研究中，Pines 和 Bajaj利用了一種氮空位中心的金剛石雜質(zhì)，其中，光度和自由自旋度都被加倍。

       純凈金剛石晶體是碳原子的一種三維晶格，每一個(gè)碳原子都和它周?chē)乃膫€(gè)原子結(jié)合在一起。當(dāng)兩個(gè)毗鄰的碳原子從晶格中被移除并留出兩個(gè)空位時(shí)，一個(gè)氮空位中心便產(chǎn)生；其中一個(gè)空位還被填充著一個(gè)氮原子，而另一個(gè)空位則保持空置。這就使得自由電子處在氮原子和空位之間的中心位置上，并引起電子自旋極化狀態(tài)。        Berkeley實(shí)驗(yàn)室的研究者利用低強(qiáng)度磁場(chǎng)將氮空位中心電子自旋極化遷移至附近的碳13原子核中，由此產(chǎn)生超級(jí)化原子核。這一自旋遷移過(guò)程被稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)核極化，通常用來(lái)增強(qiáng)核磁共振信號(hào)；但與此同時(shí)，還需要較強(qiáng)的磁場(chǎng)，深冷溫度和微波輻射三個(gè)條件。鑒于此，科學(xué)家們僅在金剛石周?chē)胖靡粋€(gè)永久磁鐵就解決了上述三個(gè)條件帶來(lái)的問(wèn)題。

       Hai-Jing Wang稱(chēng)，為實(shí)現(xiàn)自旋的有效遷移，必須使源和匯的能源結(jié)構(gòu)相匹配；鑒于此，實(shí)驗(yàn)將電子能級(jí)分配為0.1特斯拉，由外部磁鐵來(lái)提供。這樣就加快了由氮空位中心到附近碳原子核的極化遷移率。

       氮空位中心與其毗鄰的碳原子核是量子比特最佳的候選者；與電荷相類(lèi)似，量子自旋能夠用來(lái)編碼數(shù)據(jù)，就像電荷編碼中的0和1。但與電荷不同的是，受量子疊加效應(yīng)的影響，量子自旋可上可下，亦或兩者同時(shí)兼有。通過(guò)疊加，量子比特能夠呈指數(shù)式地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而且處理速度要比一般的計(jì)算機(jī)計(jì)算快數(shù)十億倍。

       一些控制核自旋的傳統(tǒng)方法通常都需要振蕩電磁場(chǎng)，這就使得較高的空間分辨率的獲取變得比較困難。Wang說(shuō)，通過(guò)利用光學(xué)圖案和靜態(tài)磁場(chǎng)的方法，自旋控制能夠提供一個(gè)更為簡(jiǎn)單的方式來(lái)書(shū)寫(xiě)一組金剛石氮空位中心的地址。應(yīng)用在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器上的一些技術(shù)現(xiàn)今就有足夠的空間分辨率在磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)這些控制方案。

       研究者相信，通過(guò)某種自旋擴(kuò)散機(jī)制，氮空位中心附近的碳13原子核超極化作用可以很容易地?cái)U(kuò)散到其他的金剛石碳原子核。

       Pines說(shuō)，如果外部表面自旋和金剛石表面的碳原子核超極化能夠?qū)崿F(xiàn)兩級(jí)接觸，那么金剛石外部核自旋超極化的實(shí)現(xiàn)也是大有可能的。之前，他們已經(jīng)利用光學(xué)極化疝氣來(lái)論證這種方法的類(lèi)似情況。

       Bajaj說(shuō)，目前他們正試圖進(jìn)行金剛石表面自旋極化。如果獲得成功，就可以利用芯片級(jí)設(shè)備對(duì)NMR實(shí)驗(yàn)中的任何樣例進(jìn)行極化處理。既然金剛石和磁鐵能夠按比例縮小至微米尺寸甚至更小，那么將來(lái)也有可能在微流體芯片上制造出固態(tài)核偏振片。

      該研究得到美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的贊助和支持。（編譯自Lawrence Berkeley National Laboratory）