發(fā)布日期：2018-06-26
由中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在零磁場(chǎng)核磁共振方面取得新進(jìn)展，該實(shí)驗(yàn)室教授彭新華課題組與德國(guó)亥姆霍茲研究所、加拿大滑鐵盧大學(xué)合作，首次實(shí)現(xiàn)了零磁場(chǎng)核自旋體系的普適量子控制和發(fā)展了用于評(píng)估量子控制和量子態(tài)的方法，這一成果有望推動(dòng)零磁場(chǎng)核磁共振在生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)以及基礎(chǔ)物理領(lǐng)域中的應(yīng)用。該研究工作以Experimental Benchmarking of Quantum Control in Zero-field Nuclear Magnetic Resonance 為題，發(fā)表在6月15日的《科學(xué)進(jìn)展》上[Science Advances 4, eaar6327 (2018)]。
零磁場(chǎng)核磁共振是一個(gè)正在快速發(fā)展的新領(lǐng)域，它具有許多突出的優(yōu)勢(shì)，例如消除了傳統(tǒng)核磁共振對(duì)超導(dǎo)磁體的依賴性、高分辨率譜學(xué)、豐富的自旋動(dòng)力學(xué)等。然而，零磁場(chǎng)核磁共振面臨多方面的困難：首先，在零磁場(chǎng)下，核磁共振信號(hào)的頻率通常小于1 kHz，傳統(tǒng)核磁共振的感應(yīng)探測(cè)方法完全失效，探測(cè)零磁場(chǎng)核磁共振信號(hào)非常困難；其次，零磁場(chǎng)核磁共振由于不同的核自旋的拉莫進(jìn)動(dòng)頻率為零，因此無(wú)法使用選擇性脈沖進(jìn)行操控，如何實(shí)現(xiàn)普適的量子控制是亟需解決的難題。
實(shí)驗(yàn)中，零磁場(chǎng)下極其微弱的核磁共振信號(hào)的測(cè)量采用了極其靈敏的原子磁力計(jì)（atomic magnetometer）作為探測(cè)器，其靈敏度達(dá)到了10 fT/√Hz。將探測(cè)器與樣品一直放置于小于0.1 nT（10-10 T）磁場(chǎng)的屏蔽桶內(nèi)，此時(shí)樣品產(chǎn)生的微小磁場(chǎng)信號(hào)也能夠被原子磁力計(jì)捕獲到，可實(shí)現(xiàn)在零磁場(chǎng)下對(duì)核自旋體系的精密測(cè)量?；谶@強(qiáng)有力的探測(cè)手段，課題組測(cè)量了同位素標(biāo)記液體甲酸分子，觀測(cè)到甲酸分子在零磁場(chǎng)環(huán)境下，弛豫時(shí)間（T2）達(dá)到了10.3秒，譜線的分辨率達(dá)到了32 mHz，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果超過(guò)了傳統(tǒng)核磁共振的譜線分辨率，展示了利用零磁場(chǎng)核磁共振實(shí)現(xiàn)的高分辨率譜學(xué)，而高分辨率譜學(xué)對(duì)生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。
課題組利用精心設(shè)計(jì)的組合脈沖實(shí)現(xiàn)了原子核自旋的單比特門(mén)和多比特門(mén)，首次實(shí)現(xiàn)了零磁場(chǎng)核磁共振的普適量子控制，同時(shí)發(fā)展了評(píng)估量子控制保真度的方法，對(duì)量子控制的質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估，操控保真度高達(dá)99%?；谠摴ぷ靼l(fā)展的量子控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同自旋之間相互作用的選擇性測(cè)量，而選擇出的反對(duì)稱性自旋相互作用可以用于檢驗(yàn)分子的宇稱不守恒規(guī)律，該工作提供了將零磁場(chǎng)核磁共振應(yīng)用于基礎(chǔ)物理研究的可能性。另外，普適量子控制技術(shù)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)也將有望推動(dòng)零磁場(chǎng)核磁共振在生物、醫(yī)學(xué)及化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。
中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士研究生江敏和德國(guó)亥姆霍茲研究所的吳騰為文章共同第一作者。該工作得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、教育部和安徽省的資助。
左圖為該工作設(shè)計(jì)的零磁場(chǎng)核磁共振譜儀；右圖展示了核磁共振樣品在零磁場(chǎng)環(huán)境下具有較長(zhǎng)的弛豫時(shí)間
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)