中科大“电子顺磁共振谱学技术”实现千赫兹谱线分辨率单自旋顺磁共振

电子顺磁共振是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术，可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子，并探索其周围环境的结构特性。对自由基而言，轨道磁矩几乎不起作用，总磁矩的绝大部分(99%以上)的贡献来自电子自旋，所以电子顺磁共振亦称“电子自旋共振”(ESR)。

近期，中国科学技术大学杜江峰院士团队使用金刚石氮色心量子传感器的高分辨顺磁共振探测方法，获得了千赫兹(kHz)谱线分辨率的单自旋顺磁共振谱。

电子顺磁共振谱学技术是当代重要的物质科学研究手段，常用来获取分子的动力学、结构等信息。研究人员在实验中成功实现金刚石中单个氮原子电子自旋的窄化跃迁探测，相较传统方法谱线分辨率提升了27倍，达到8.6 kHz，这是目前基于金刚石量子传感器微观顺磁共振谱学的指标。

色心是指晶体中对可见光产生选择性吸收的缺陷部位。一些晶体，在缺陷部位电子跃迁所需能量减小到与可见光相当的程度。这些缺陷部位就会产生对可见光的选择性吸收面使晶体呈色。晶体中对可见光产生选择性吸收的缺陷部位称作色心。带有色心的碱金属卤化物晶体是制作可调谐激光器的材料。色心激光器有可能成为一种有实用价值的激光技术。色心晶体可做储存或显示信息器件等的材料。大量人为控制的色心材料在诸如半导体、发光、光电导等许多技术领域中有着广泛的应用。

自旋即是由粒子内禀角动量引起的内禀运动。在量子力学中，自旋是粒子所具有的内禀性质，其运算规则类似于经典力学的角动量，并因此产生一个磁场。自旋角动量是系统的一个可观测量，它在空间中的三个分量和轨道角动量一样满足相同的对易关系。

每个粒子都具有特有的自旋。自旋的直接的应用包括：核磁共振谱、电子顺磁共振谱、质子密度的磁共振成像，以及巨磁电阻硬盘磁头。自旋可能的应用有自旋场效应晶体管等。以电子自旋为研究对象，发展创新磁性材料和器件的学科分支称为自旋电子学。

千赫兹是频率，也可以说是采样率。声音是由振动产生的，而声音每秒钟振动的次数，就称为频率，频率的单位是赫兹，简称为赫，符号为Hz。千赫兹：千赫，缩写是kHz或KHZ*，它是交流电(AC)或电磁波(EM)频率的单位，等于1000赫兹(1000Hz)。

这个单位也用于信号带宽的度量和描述。千赫兹是频率的一个相对小的单位，更普遍一些的单位是MHz，等于1，000，000Hz或1，000kHz，还有GHz，它等于1，000，000，000Hz或1，000，000kHz。千赫常常用来描述数字信号以及模拟信号的带宽。数字信号的带宽指的是比特每秒的数据速度。一般来说，数据速度越快，带宽越大。但是，数据速度和带宽并不是一回事。速度为28，800bps的调制解调器，从某种意义上来说，它表面上频率为28.8kHz。但它的宽带通常要小很多，因为带宽是取决于某个时刻数据字符的变化量，而非单位时间内的数据比特数。

量子传感器是根据量子力学规律、利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置。量子传感器基于激光冷却原子，极可能大幅提升系统性能。激光冷却原子是小型相干气体原子，可以测量重力场或磁场变化，不仅非常精确，而且灵敏度很高。量子传感技术领域包括：陀螺仪、磁力测定、重力梯度测量、下一代小型传感器以及原子电子技术。

电子顺磁共振波谱学

又称"电子自旋共振波谱学"。由于电子自旋可产生一个小磁场，其磁矩μ与自旋角动量呈μ=geμbS关系，其中ge称为g值，自由电子ge=2.0023;μb是玻尔(Bohr)磁子，常数。当电子处于强磁场B。时，对应于自旋状态ms=±1/2的能级将会发生分裂，产生能级差△E=geμbBo，若以对应于此能级差的辐射(通常在微波区)照射此体系时，电子会吸收这一辐射而在两个能级间产生翻转，即产生共振现象，称之为电子自旋共振。

通过改变外加磁场或辐射频率则可获得受不同环境影响的电子自旋共振分布信息，即得到电子自旋共振波谱。含有多个电子的原子、分子或离子体系中，自旋角动量S可产生磁矩μ,对S不为零的含有不成对电子的原子，自由基及顺磁性金属离子都可以进行ESR观察。由于ge与电子所处的微环境直接相关，本方法已成为化学、材料物理学、生命科学等研究领域中获得电子及相应分子信息的重要手段之一。

如通过测定含有不成对电子的原子、离子或自由基的胚R波谱，可以获得电子与电子、电子与核自旋相互作用的超精细结构信息;还可以通过自旋标记技术，将带有未成对电子的小分子结合到生物大分子上，观察大分子对结合的小分子的ESR波谱及变化的程度，获得大分子局部精细结构的信息等。

电子自旋顺磁共振仪

是一种成份分析仪器，可使用在物理、生物、化学等领域，可作为研究领域Z有效的科研手段之一。顺磁仪(x-波段微波桥) 9GHz—10GHz工作范围;场精确度高于500mG S/N 1.56KHz 240/1。主要测样品中单电子、自由基及自由基对。可检测的样品状态为液体、固体、粉末、薄膜以及动物内脏组织。 对于有机光化学体系可测自旋标记、自旋捕获及电子转移样品。更重要的是检测短命样品的中间体(纳秒级)。

新闻来源：中国科学技术大学

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