[論文レビュー] Room-Temperature in situ Nuclear Spin Hyperpolarization from Optically-Pumped Nitrogen Vacancy Centers in Diamond

Jonathan P. King, Keunhong Jeong+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2015

High-pressure geophysics and materials参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、窒素真空色心（NV）中心の光励起とダイナミック核スピン極化（DNP）を組み合わせることで、室温・現地での13C核スピンのハイパーポラリゼーションを実証した。532 nmレーザー光と420 mTでのマイクロ波照射を適用することで、サンプルの移動や正確な結晶配向を要せず、標準的な誘導NMRで検出可能なバルク核スピン極化度6%を達成した。これにより、任意の磁場強度で高感度NMRが可能となった。

ABSTRACT

We report bulk, room-temperature hyperpolarization of 13C nuclear spins observed via high-field nuclear magnetic resonance (NMR). The hyperpolarization is achieved by optical pumping (OP) of nitrogen vacancy defect centers in diamond accompanied by dynamic nuclear polarization (DNP). The technique harnesses the large optically-induced spin polarization of NV- centers at room temperature, which is many orders of magnitude greater than thermal equilibrium polarization and typically achievable only at sub-Kelvin temperatures. Transfer of the spin polarization to the 13C nuclear spins is accomplished via a combination of OP and microwave irradiation. The OP/DNP is performed at 420 mT, where inductive detection of NMR is feasible, in contrast to the typically exploited level anticrossing regimes at 100 mT and 50 mT. Here, we report a bulk nuclear spin polarization of 6%. This polarization was generated in situ and detected with a standard, inductive NMR probe without the need for sample shuttling or precise crystal orientation. Hyperpolarization via OP/DNP should operate at arbitrary magnetic fields, enabling orders of magnitude sensitivity enhancement for NMR of solids and liquids at ambient conditions.

研究の動機と目的

• 室温および常磁場下での核スピンハイパーポラリゼーションの一般化手法の開発。
• NMRハイパーポラリゼーションにおける冷却条件、サンプル移動、正確な結晶配向の必要性の排除。
• 標準的NMR検出と適合する磁場で、光励起NV中心とDNPを用いたバルク13Cスピンの現地ハイパーポラリゼーションの実現。
• ハイパーポラリゼーションが同一実験条件下で生成・検出可能であり、専用装置を用いずにNMR感度を向上させることの実証。

提案手法

• 532 nmレーザーを用いた光励起により、NV−中心のms=0状態が選択的に励起され、室温で大きな電子スピン極化が生成される。
• 8896 MHzのマイクロ波照射により、双極子結合を介した禁止遷移が駆動され、固体効果または熱混合メカニズムを通じてNV−から13C核スピンへの極化移行が実現される。
• 誘導NMR検出が可能となる420 mTで実験が行われ、100 mTや50 mTでの準縮退状態を避ける必要がなくなる。
• 核スピン極化は、60 sの繰り返し時間で60スキャン後に標準的誘導NMRプローブで測定され、Gd(III)ドープ13C高出度DMSO試料を基準としてキャリブレーションが行われた。
• レーザー強度とマイクロ波出力を変化させることで極化移行を最適化し、強度と出力の増加により極化収率がわずかに向上した。
• サンプル移動や正確な結晶配向を必要とせず、常温下で現地でのハイパーポラリゼーションが可能となった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷却不要で、NV中心を用いた室温下でのバルク核スピンハイパーポラリゼーションは可能か？
• RQ2 標準的誘導NMR検出と適合する磁場強度で、ハイパーポラリゼーションを生成・検出することが可能か？
• RQ3 420 mTにおけるOP/DNPで、レーザー強度とマイクロ波出力が極化移行効率に与える影響はどの程度か？
• RQ4 観察されたハイパーポラリゼーションは、固体効果、熱混合、あるいは両者の組み合わせによるものか？

主な発見

• 4.5 mgのダイヤモンド試料における13Cスピンで、室温および420 mT磁場下で6%のバルク核スピン極化度を達成した。
• ハイパーポラリゼーションは現地で生成され、サンプル移動や再配向を要せず、標準的誘導NMRプローブで検出された。
• Gd(III)ドープ13C高出度DMSO試料との比較により、12,676スキャン・10 ms繰り返し時間で信号が約12倍低減したため、極化度の妥当性が確認された。
• レーザー強度は極化度とわずかに正の相関を示し、高出力でより高い極化度を持つNV中心の有効体積が増加することを示唆した。
• マイクロ波出力の増加も極化移行を促進し、固体効果および熱混合DNPメカニズムの両方が活性化していることと整合的であった。
• 本手法は任意の磁場強度で動作可能であり、準縮退状態を必要とせず、常温下での固体・液体NMRへの広範な応用が可能である。