ダイヤモンド中の窒素空孔欠陥を用いた核磁気共鳴センシング

利用金刚石中氮空位缺陷进行核磁共振传感

基本信息

批准号：
17J05890
负责人：
佐々木健人
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は、原子レベルの分解能を持つ核磁気共鳴検出を実現し、単一分子イメージング・構造解析の基盤技術を開発することである。ダイヤモンド表面近傍の窒素空孔欠陥(NVセンター)を量子磁場センサーとして利用し、外部分子中のプロトンや炭素同位体核スピンの高感度な検出や核種の決定、核スピンの位置決定技術の実現を目指した。昨年度までに、本研究の核となる、核種決定や核スピンの位置決定はプロトコル開発やその実験的検証を行った。外部核スピンの検知や分子構造解析には、核スピン検知の感度と分解能をさらに高めることが求められる。今年度は、従来の計測シークエンスに、NVセンターの禁制遷移を操作する為の複合マイクロ波パルス法を取り入れ、超微細相互作用の制御を行うことで課題に取り組んだ。磁気モーメントの大きな禁制遷移によって相互作用強度を高めて、核磁気分極の効率を1.6倍向上した。また、センサーと核スピン間の相互作用を時間平均的に打ち消すことで、核スピン歳差周波数の不均一線幅の抑制にも成功した。その過程で、極少数のプロトンの歳差運動信号を直接的かつ曖昧さなく検知することに成功した。加えて、昨年度、別方針として示唆したFPGAフィードバック計測についても、受入研究室のメンバーと共同して開発を進めた。FPGA制御によって従来のNV中心計測シークエンスを網羅的に再現した。また、標的となるプロトンスピンの探索や、FPGAの動作検証に有用な小型テーブルトップ共焦点顕微鏡装置の主要デザインを行い、その構築に貢献した。

本研究的目的是实现原子级分辨率的核磁共振检测，开发单分子成像和结构分析的基础技术。利用金刚石表面附近的氮空位缺陷（NV中心）作为量子磁场传感器，我们将实现对外部分子中质子和碳同位素核自旋的高灵敏度检测、核素的测定以及核自旋定位技术。。直到去年，我们已经制定了协议并通过实验验证了核素测定和核自旋位置测定，这是这项研究的核心。外部核自旋的检测和分子结构分析需要进一步提高核自旋检测的灵敏度和分辨率。今年，我们通过结合复杂的微波脉冲方法来解决这个问题，将 NV 中心的禁止跃迁操纵到传统的测量序列中并控制超精细相互作用。通过磁矩大的禁戒跃迁增加了相互作用强度，核磁极化效率提高了1.6倍。此外，通过在时间平均的基础上消除传感器和核自旋之间的相互作用，我们成功地抑制了核自旋进动频率的不均匀线宽。在此过程中，他们成功地直接、明确地检测到极少数质子的进动信号。此外，我们与主实验室的成员合作开发了FPGA反馈测量，这在去年被建议作为一项单独的政策。使用 FPGA 控制全面再现传统 NV 中心测量序列。他还设计并参与构建了一个小型台式共焦显微镜设备，可用于搜索目标质子自旋和验证 FPGA 的运行。