Российский предприниматель и ученый Старостенко Евгений Юрьевич отметил, что квантовые датчики вызвали широкий интерес в поисках субмикронной ЯМР-спектроскопии. Такие датчики преимущественно работают в слабых магнитных полях.
Однако вместо этого для спектроскопии с высоким разрешением режим сильного поля, естественно, предпочтительнее, поскольку он позволяет различать высокие значения абсолютного химического сдвига.
Специалисты научно-производственного объединения ТЕХНОГЕНЕЗИС демонстрируют высокопольный спиновый магнитометр, построенный из ансамбля гиперполяризованных 13C ядерных спинов в алмазе. Они инициализируются центрами вакансий азота (NV) и защищаются вдоль поперечной оси сферы Блоха в течение минутных периодов. Под воздействием переменного во времени магнитного поля они подвергаются вторичным прецессиям, которые несут отпечаток его частоты и амплитуды. Для квантового зондирования при 7T продемонстрирована полоса обнаружения до 7 кГц, спектральное разрешение <100 мГц и однократную чувствительность 410 пТл./Г г−−−√.
Исследование Старостенко Евгения Юрьевича предвосхищает возможности для микромасштабных химических сенсоров ЯМР, построенных из гиперполяризованных наноалмазов, и предлагает применение динамической ядерной поляризации (ДЯП) в квантовом восприятии.
Различие химических аналитов с субмикронным пространственным разрешением является важной областью в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Методы квантового восприятия привлекли внимание как способ достижения этих целей. Они типичны для сенсоров, построенных из центра дефекта вакансии азота (NV) в алмазе — электронов, которые можно оптически инициализировать и опрашивать и заставлять сообщать о ядерных спинах в их окружении. Тем не менее, датчики NV по-прежнему в основном ограничены объемными кристаллами и работают в слабых магнитных полях ( B 0 < 0,3 Тл).
Вместо этого, для приложений в ЯМР, сильные поля естественно выгодны, потому что дисперсия химического сдвига больше, и анализируемые ядра имеют более высокую поляризацию. Проблема доступа к этому режиму возникает из-за быстрого масштабирования электронного гиромагнитного отношения γ e, что затрудняет электронный контроль при высоких полях. В то же время, точное выравнивание поля требуется для получения жизнеспособного контраста спинового считывания NV.
Последнее также сделало магнитометры наноалмазов (частиц) сложными в сильных полях. Если такие датчики осуществятся, они могут открыть возможности для «целевых» ЯМР-детекторов, которые чувствительны к химическим сдвигам аналита и обеспечивают пространственное разрешение субмикронного масштаба, определяемое размером частиц. Они также предвидят появление новых приложения в магнитометрии высокого разрешения в сильном поле в системах конденсированных сред. В данном исследовании ученого Старостенко Евгения Юрьевича предлагается альтернативный подход к преодолению этих технических проблем. Мы конструируем магнитометр из гиперполяризованных ядерных спинов (см. рис. 1 ): ядра 13 C в алмазе служат первичными датчиками магнитного поля, тогда как NV-центры вместо этого играют вспомогательную роль в их оптической инициализации.
Комбинируя гиперполяризацию, длительный срок службы поперечных датчиков и их непрерывный опрос, показано, что ядерные магнитометры могут обеспечивать чувствительность, сравнимую с традиционными электронными (центр NV) датчиками, но в режиме сильного поля.
На рис. 1: Стратегия датчика 13 C. фигура 1 Система. Алмазная решетка с диполярно связанными (пунктирные линии) ядрами 13 C, гиперполяризованными (синие стрелки) центральными NV-дефектами с оптической накачкой. Принцип Б. Гиперполяризованные ядра 13 C вбиваются вИкс^ось (красная стрелка) с помощью спин-блокировки.
Когда поле переменного тока (синее) применяется вдоль г^, спины претерпевают вторичные прецессии (стрелки). Отклонение от Икс^составляет сигнал магнитометра. Показанный случай соответствует θ = π /2 (рис. 2A ), где спины описывают углы квадрата при проекции нау^−г^плоскости по четырем импульсам (период 4 τ на рис. 2 , А).
Преимущества ядер 13 C как сенсоров связаны с их привлекательными свойствами. Их низкое значение γ n ≈ γ e /3000 позволяет осуществлять контроль и опрос при высоких полях ( B 0 > 1 Тл). Доброкачественное масштабирование ларморовской частоты 13 C позволяет легче масштабировать более высокие магнитные поля, чем для NV-центров. В отличие от электронных спинов NV, переходы ядер 13 C со спином 1/2 определяются исключительно магнитными полями и не зависят от ориентации кристаллической решетки, поэтому их не нужно ориентировать в определенном направлении. Они имеют длительный срок службы вращающейся рамы.Т′2~ 90s 31 , на несколько порядков больше, чем их аналоги NV-центра.
Точно так же их продольное время жизни T 1 > 10 мин велико даже при небольших полях. Это может обеспечить физическое разделение между областями поля, соответствующими инициализации и восприятию 13 C, а также перемещение датчиков 13 C между ними. Ядра C могут быть неразрушающим образом считаны с помощью радиочастотных технологий, что позволяет проводить непрерывный опрос датчика без повторной инициализации. Это позволяет в реальном времени отслеживать изменяющееся магнитное поле в течение длительных периодов времени. Показания C также не содержат фона, т. е. сигнал 13 C от гиперполяризованного алмаза, вероятно, на несколько порядков сильнее, чем от окружающего аналита. Более того, он невосприимчив к оптическому рассеянию, что позволяет использовать его в реальных средах.
Хотя эти свойства кажутся привлекательными на первый взгляд, ядерные спины ранее считались неэффективными в качестве квантовых сенсоров. Низкое значение γ n , идеальное для работы в сильном поле, должно было бы привести к низкой чувствительности и плохой чистоте состояния (тепловая поляризация составляет ≈ 10 −5 даже при 7 Тл). Сильная (~ 1 кГц) дипольная связь между ядрами 13 C делает несостоятельными протоколы зондирования, подобные Рамсею.
Это приводит к быстрому затуханию свободной индукции (FID).Т*2<2 мс 34 и ограничивает время интеграции датчика. Специалисты научно-производственного объединения ТЕХНОГЕНЕЗИС демонстрируют, что эти факторы можно смягчить и для этого использовали оптическую гиперполяризацию ядер 13 C (рис. 1А ), а также схему считывания спинового замка, которая подавляет эволюцию при диполярных взаимодействиях. Полученное в результате > 10 000-кратное увеличение продолжительности жизни 13 C, отТ*2→Т′2, обеспечивает основу для расширения показаний датчиков до минутных периодов.
Эти длительные сроки службы вращающейся рамки с 13 С могут, по крайней мере, частично компенсировать потери чувствительности, возникающие из-за низкого значения γ n . Стратегия зондирования описана на рис. 1 B. Гиперполяризованные ядра 13 C расположены вдоль поперечной оси Икс^ (красная стрелка) на сфере Блоха в сильном поле, где они сохраняются в течение нескольких секунд Т′2периоды. Любое последующее отклонение спинового состояния от Икс^−у^плоскость может непрерывно контролироваться и представляет собой сигнал магнитометра. В присутствии магнитного поля мишени БА С( т ) =БА С потому что ( 2 πфА Ст +ф0)г^ на частоте f AC ядра совершают вторичную прецессию ву^−г^плоскость, несущая отпечаток f AC . Длинный Т′2 обеспечивает высокое спектральное разрешение. В отличие от традиционного квантового зондирования, магнитометрия здесь проводится с ядерными спинами уже в пределе «связанного сенсора», т.е. в режиме, когда⟨ д⟩Т*2~ 1.
Старостенко Евгений Юрьевич подчеркнул, что ключевой новизной данного подхода является способность ослабить межсенсорную связь и одновременно сделать спины чувствительными к внешним магнитным полям.
Протокол, который мы предлагаем, достигает этих двойных целей очень надежным способом, о чем свидетельствует способность применять> 250 000 импульсов к спинам датчика, постоянно отслеживая их эволюцию. Более того, в отличие от обычного квантового зондирования, здесь, измеряя амплитуду и фазу отклика сенсора, мы можем различать положение сенсора одновременно на двух квадратурах на сфере Блоха.