發(fā)布日期：2018-06-26

　　由中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰領(lǐng)導(dǎo)的中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室在零磁場核磁共振方面取得新進展，該實驗室教授彭新華課題組與德國亥姆霍茲研究所、加拿大滑鐵盧大學(xué)合作，首次實現(xiàn)了零磁場核自旋體系的普適量子控制和發(fā)展了用于評估量子控制和量子態(tài)的方法，這一成果有望推動零磁場核磁共振在生物、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)進展》上[Science Advances 4, eaar6327 (2018)]。

　　零磁場核磁共振是一個正在快速發(fā)展的新領(lǐng)域，它具有許多突出的優(yōu)勢，例如消除了傳統(tǒng)核磁共振對超導(dǎo)磁體的依賴性、高分辨率譜學(xué)、豐富的自旋動力學(xué)等。然而，零磁場核磁共振面臨多方面的困難：首先，在零磁場下，核磁共振信號的頻率通常小于1 kHz，傳統(tǒng)核磁共振的感應(yīng)探測方法完全失效，探測零磁場核磁共振信號非常困難；其次，零磁場核磁共振由于不同的核自旋的拉莫進動頻率為零，因此無法使用選擇性脈沖進行操控，如何實現(xiàn)普適的量子控制是亟需解決的難題。

　　實驗中，零磁場下極其微弱的核磁共振信號的測量采用了極其靈敏的原子磁力計（atomic magnetometer）作為探測器，其靈敏度達到了10 fT/√Hz。將探測器與樣品一直放置于小于0.1 nT（10-10 T）磁場的屏蔽桶內(nèi)，此時樣品產(chǎn)生的微小磁場信號也能夠被原子磁力計捕獲到，可實現(xiàn)在零磁場下對核自旋體系的精密測量。基于這強有力的探測手段，課題組測量了同位素標記液體甲酸分子，觀測到甲酸分子在零磁場環(huán)境下，弛豫時間（T2）達到了10.3秒，譜線的分辨率達到了32 mHz，該實驗結(jié)果超過了傳統(tǒng)核磁共振的譜線分辨率，展示了利用零磁場核磁共振實現(xiàn)的高分辨率譜學(xué)，而高分辨率譜學(xué)對生物、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)計的組合脈沖實現(xiàn)了原子核自旋的單比特門和多比特門，首次實現(xiàn)了零磁場核磁共振的普適量子控制，同時發(fā)展了評估量子控制保真度的方法，對量子控制的質(zhì)量進行了評估，操控保真度高達99%。基于該工作發(fā)展的量子控制技術(shù)，可以實現(xiàn)對不同自旋之間相互作用的選擇性測量，而選擇出的反對稱性自旋相互作用可以用于檢驗分子的宇稱不守恒規(guī)律，該工作提供了將零磁場核磁共振應(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)展和實現(xiàn)也將有望推動零磁場核磁共振在生物、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實驗室的博士研究生江敏和德國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)計的零磁場核磁共振譜儀；右圖展示了核磁共振樣品在零磁場環(huán)境下具有較長的弛豫時間

來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)