直接追踪单个原子核，像陀螺一样的自旋！

来源：天文物理

核磁共振(NMR)光谱是物化分析的重要方法之一，可以用来确定精确的分子结构和动力学。苏黎世联邦理工学院两位诺贝尔奖得主理查德•恩斯特和库尔特•伍特里奇对改进这种方法的贡献得到了认可，这也证明了这种方法的重要性。这项技术基于核磁共振技术，利用了某些原子核与磁场相互作用的事实，这里的一个关键因素是核自旋，它可以与儿童陀螺的自旋相比较。

与顶部开始晃动(一种称为旋进的现象)类似，暴露在磁场中的核自旋也开始进动。这产生了一个电磁信号，可以测量使用感应线圈。核磁共振(NMR)谱学是一种分析分子结构和功能，以及对其自旋密度进行三维成像的强大技术。核磁共振波谱仪的核心是检测电磁辐射，它以自由感应衰减信号的形式存在，这种信号是由外加磁场周围原子核的进动产生。

苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)固体物理学教授克里斯蒂安•德根(Christian Degen)领导的一组研究人员开发了一种新方法，使直接跟踪单个核自旋的进动成为可能。相比之下，传统的核磁共振测量通常需要至少10^12到10^18个原子核才能记录测量信号,在项目中，ETH研究人员分析了钻石中碳13原子的行为。没有使用传统方法来测量碳原子核的进动，而是使用了N-V中心相邻电子的自旋作为传感器——这是钻石晶体晶格的缺陷。

德根团队的博士生克里斯蒂安•库贾(Kristian Cujia)这样总结了这一原理：我们使用第二个量子系统来研究第一个量子系统的行为。通过这种方式，创造了一种非常敏感的测量方法。目前还不清楚连续检测自由感应衰减是否仍然可以应用于单自旋水平，或者量子反向作用(探测器对测量本身的影响)是否会改变或抑制核磁共振响应。

量子系统很难确定，因为任何测量也会影响被观测的系统。因此，研究人员无法连续跟踪进动，它的运动将会被彻底改变。为了解决这个问题，开发了一种特殊的测量方法，通过一系列快速连续的弱测量来捕获碳原子的自旋。因此能够保持观察的影响是如此之小，以至于不影响系统的可测量性，留下原来的圆周运动感觉，该方法为核磁共振技术的显著进步铺平了道路。

这可能使我们能够直接记录单个分子的光谱，并在原子水平上分析结构。作为第一个例子，物理学家用原子分辨率确定了金刚石晶格中碳核的三维位置。物理学家们看到了这一发展的巨大潜力。这种详细的核磁共振测量可以在许多领域带来全新见解，就像近几十年来传统的核磁共振光谱一样，其研究发表在《自然》上。

博科园｜研究/来自：苏黎世联邦理工学院

参考期刊《自然》