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，信號則越強(qiáng)烈。

       美國能源局的Berkeley國家實(shí)驗(yàn)室，近日發(fā)表最新研究報(bào)告，在多個級數(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完成，并對碳13超級化進(jìn)行可預(yù)測的、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設(shè)備、金剛石量子信息處理以及核自旋電子設(shè)備等對NMR和MRI進(jìn)行敏感性增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)。

       “近乎完整的碳13核自旋極化對于任何一個需要純凈初始自旋狀態(tài)的過程來說，都十分的理想和完美”，Bajaj稱，“此外，我們的方法對于任何大批量原子核超極化也應(yīng)該適用，包括動態(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。

       在過去數(shù)十年的時間里，Pines和他的團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)過無數(shù)的方法來實(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)一萬倍的NMR/MRI信號；在幾項(xiàng)設(shè)備應(yīng)用中，他們已經(jīng)能夠在沒有磁場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，每一個碳原子都和它周圍的四個原子結(jié)合在一起。當(dāng)兩個毗鄰的碳原子從晶格中被移除并留出兩個空位時，一個氮空位中心便產(chǎn)生；其中一個空位還被填充著一個氮原子，而另一個空位則保持空置。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)生超級化原子核。這一自旋遷移過程被稱之為動態(tài)核極化，通常用來增強(qiáng)核磁共振信號；但與此同時，還需要較強(qiáng)的磁場，深冷溫度和微波輻射三個條件。鑒于此，科學(xué)家們僅在金剛石周圍放置一個永久磁鐵就解決了上述三個條件帶來的問題。

       Hai-Jing Wang稱，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)將電子能級分配為0.1特斯拉，由外部磁鐵來提供。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；與電荷相類似，量子自旋能夠用來編碼數(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，亦或兩者同時兼有。通過疊加，量子比特能夠呈指數(shù)式地存儲數(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，這就使得較高的空間分辨率的獲取變得比較困難。Wang說，通過利用光學(xué)圖案和靜態(tài)磁場的方法，自旋控制能夠提供一個更為簡單的方式來書寫一組金剛石氮空位中心的地址。應(yīng)用在計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動器上的一些技術(shù)現(xiàn)今就有足夠的空間分辨率在磁場中實(shí)現(xiàn)這些控制方案。

       研究者相信，通過某種自旋擴(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，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)極化疝氣來論證這種方法的類似情況。

       Bajaj說，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，就可以利用芯片級設(shè)備對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。

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