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背景

       核磁共振（NMR）和核磁共振成像（MRI）技术，诸如量子信息处理和核自旋电子技术，均基于一种电子和原子核自旋的内在量子性质。电子和原子核像条形磁铁一样能够以定向状态上下自旋。NMR/MRI信号则依靠被极化的核自旋在某一方向上进行指向。极化作用越大，信号则越强烈。

       美国能源局的Berkeley国家实验室，近日发表最新研究报告，在多个级数的调整下，金刚石碳13核自旋超极化的实验极大地增强了NMR/MRI的敏感性。
       作为Berkeley实验室材料科学部Alexander Pines和Dmitry Budker的合作研究项目之一，Vikram Bajaj主持领导了对人造金刚石晶体碳13核自旋的完整磁控超极化实验。这项工作建立在Budker 和Jeffrey Reimer的早期国际科研项目合作的基础上；这种自旋超极化由冰箱式磁铁来完成，并对碳13超级化进行可预测的、稳定的控制。研究提出一种实验路径，利用分子和生物分子检测设备、金刚石量子信息处理以及核自旋电子设备等对NMR和MRI进行敏感性增强实验。

       “近乎完整的碳13核自旋极化对于任何一个需要纯净初始自旋状态的过程来说，都十分的理想和完美”，Bajaj称，“此外，我们的方法对于任何大批量原子核超极化也应该适用，包括动态核极化增强型NMR和自旋电子设备”。

       该项目由Pines科研团队的资深科学家Bajaj，发表在Nature Communications杂志上，原题为金刚石核自旋超级化的灵敏磁控研究。除了Bajaj 和 Pines，其他合作者还有Hai-Jing Wang， Chang Shin， Claudia Avalos， Scott Seltzer 和 Dmitry Budke。

       在过去数十年的时间里，Pines和他的团队实验过无数的方法来实现核自旋的超极化，他们已经研制出比一般的NMR和MRI实验强一万倍的NMR/MRI信号；在几项设备应用中，他们已经能够在没有磁场的情况下记录并分析详细的磁共振光谱。在此次研究中，Pines 和 Bajaj利用了一种氮空位中心的金刚石杂质，其中，光度和自由自旋度都被加倍。

       纯净金刚石晶体是碳原子的一种三维晶格，每一个碳原子都和它周围的四个原子结合在一起。当两个毗邻的碳原子从晶格中被移除并留出两个空位时，一个氮空位中心便产生；其中一个空位还被填充着一个氮原子，而另一个空位则保持空置。这就使得自由电子处在氮原子和空位之间的中心位置上，并引起电子自旋极化状态。        Berkeley实验室的研究者利用低强度磁场将氮空位中心电子自旋极化迁移至附近的碳13原子核中，由此产生超级化原子核。这一自旋迁移过程被称之为动态核极化，通常用来增强核磁共振信号；但与此同时，还需要较强的磁场，深冷温度和微波辐射三个条件。鉴于此，科学家们仅在金刚石周围放置一个永久磁铁就解决了上述三个条件带来的问题。

       Hai-Jing Wang称，为实现自旋的有效迁移，必须使源和汇的能源结构相匹配；鉴于此，实验将电子能级分配为0.1特斯拉，由外部磁铁来提供。这样就加快了由氮空位中心到附近碳原子核的极化迁移率。

       氮空位中心与其毗邻的碳原子核是量子比特最佳的候选者；与电荷相类似，量子自旋能够用来编码数据，就像电荷编码中的0和1。但与电荷不同的是，受量子叠加效应的影响，量子自旋可上可下，亦或两者同时兼有。通过叠加，量子比特能够呈指数式地存储数据，而且处理速度要比一般的计算机计算快数十亿倍。

       一些控制核自旋的传统方法通常都需要振荡电磁场，这就使得较高的空间分辨率的获取变得比较困难。Wang说，通过利用光学图案和静态磁场的方法，自旋控制能够提供一个更为简单的方式来书写一组金刚石氮空位中心的地址。应用在计算机硬盘驱动器上的一些技术现今就有足够的空间分辨率在磁场中实现这些控制方案。

       研究者相信，通过某种自旋扩散机制，氮空位中心附近的碳13原子核超极化作用可以很容易地扩散到其他的金刚石碳原子核。

       Pines说，如果外部表面自旋和金刚石表面的碳原子核超极化能够实现两级接触，那么金刚石外部核自旋超极化的实现也是大有可能的。之前，他们已经利用光学极化疝气来论证这种方法的类似情况。

       Bajaj说，目前他们正试图进行金刚石表面自旋极化。如果获得成功，就可以利用芯片级设备对NMR实验中的任何样例进行极化处理。既然金刚石和磁铁能够按比例缩小至微米尺寸甚至更小，那么将来也有可能在微流体芯片上制造出固态核偏振片。

      该研究得到美国能源部科学办公室的赞助和支持。（编译自Lawrence Berkeley National Laboratory）