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核磁共振(NMR)光譜是物化分析的重要方法之一，可以用來確定精確的分子結(jié)構(gòu)和動力學。蘇黎世聯(lián)邦理工學院兩位諾貝爾獎得主理查德·恩斯特和庫爾特·伍特里奇對改進這種方法的貢獻得到了認可，這也證明了這種方法的重要性。這項技術(shù)基于核磁共振技術(shù)，利用了某些原子核與磁場相互作用的事實，這里的一個關(guān)鍵因素是核自旋，它可以與兒童陀螺的自旋相比較。 與頂部開始晃動(一種稱為旋進的現(xiàn)象)類似，暴露在磁場中的核自旋也開始進動。這產(chǎn)生了一個電磁信號，可以測量使用感應(yīng)線圈。核磁共振(NMR)譜學是一種分析分子結(jié)構(gòu)和功能，以及對其自旋密度進行三維成像的強大技術(shù)。核磁共振波譜儀的核心是檢測電磁輻射，它以自由感應(yīng)衰減信號的形式存在，這種信號是由外加磁場周圍原子核的進動產(chǎn)生。 更高分辨率蘇黎世聯(lián)邦理工學院(ETH Zurich)固體物理學教授克里斯蒂安·德根(Christian Degen)領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員開發(fā)了一種新方法，使直接跟蹤單個核自旋的進動成為可能。相比之下，傳統(tǒng)的核磁共振測量通常需要至少10^12到10^18個原子核才能記錄測量信號,在項目中，ETH研究人員分析了鉆石中碳13原子的行為。沒有使用傳統(tǒng)方法來測量碳原子核的進動，而是使用了N-V中心相鄰電子的自旋作為傳感器——這是鉆石晶體晶格的缺陷。 德根團隊的博士生克里斯蒂安·庫賈(Kristian Cujia)這樣總結(jié)了這一原理：我們使用第二個量子系統(tǒng)來研究第一個量子系統(tǒng)的行為。通過這種方式，創(chuàng)造了一種非常敏感的測量方法。目前還不清楚連續(xù)檢測自由感應(yīng)衰減是否仍然可以應(yīng)用于單自旋水平，或者量子反向作用(探測器對測量本身的影響)是否會改變或抑制核磁共振響應(yīng)。 未來應(yīng)用潛力量子系統(tǒng)很難確定，因為任何測量也會影響被觀測的系統(tǒng)。因此，研究人員無法連續(xù)跟蹤進動，它的運動將會被徹底改變。為了解決這個問題，開發(fā)了一種特殊的測量方法，通過一系列快速連續(xù)的弱測量來捕獲碳原子的自旋。因此能夠保持觀察的影響是如此之小，以至于不影響系統(tǒng)的可測量性，留下原來的圓周運動感覺，該方法為核磁共振技術(shù)的顯著進步鋪平了道路。 這可能使我們能夠直接記錄單個分子的光譜，并在原子水平上分析結(jié)構(gòu)。作為第一個例子，物理學家用原子分辨率確定了金剛石晶格中碳核的三維位置。物理學家們看到了這一發(fā)展的巨大潛力。這種詳細的核磁共振測量可以在許多領(lǐng)域帶來全新見解，就像近幾十年來傳統(tǒng)的核磁共振光譜一樣，其研究發(fā)表在《自然》上。
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