[논문 리뷰] Imaging mesoscopic nuclear spin noise with a diamond magnetometer

Carlos A. Meriles, Liang Jiang외 5명|Digital Access to Scholarship at Harvard (DASH) (Harvard University)|2010. 04. 30.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 나노스케일 해상도에서 밀도가 높은 프로톤화된 샘플에서 중간 척도 핵 스핀 노이즈를 이미징하기 위한 다이아몬드 질소빈약(VN) 중심 자기계측기를 제시한다. 핵 스핀 군집에서 발생하는 고전적 드브필드의 양자 향상된 검출을 활용함으로써, 실온 실험에 적합한 신호 대 잡음비를 달성하며, 상관 함수 재구성에 의해 고해상도이고 공간적으로 분해능이 높은 핵 스핀 분광법을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Magnetic Resonance Imaging (MRI) can characterize and discriminate among tissues using their diverse physical and biochemical properties. Unfortunately, submicrometer screening of biological specimens is presently not possible, mainly due to lack of detection sensitivity. Here we analyze the use of a nitrogen-vacancy center in diamond as a magnetic sensor for nanoscale nuclear spin imaging and spectroscopy. We examine the ability of such a sensor to probe the fluctuations of the "classical" dipolar field due to a large number of neighboring nuclear spins in a densely protonated sample. We identify detection protocols that appropriately take into account the quantum character of the sensor and find a signal-to-noise ratio compatible with realistic experimental parameters. Through various example calculations we illustrate different kinds of image contrast. In particular, we show how to exploit the comparatively long nuclear spin correlation times to reconstruct a local, high-resolution sample spectrum.

연구 동기 및 목표

• 소형 생물 샘플에 대한 전통적 MRI 및 NMR의 감도 한계를 극복하기 위해 단일 NV 중심을 양자 자기 센서로 사용함으로써.
• 정적 자화가 아니라 농도가 높은 핵 스핀 군집이 생성하는 고전적 드브필드의 변동을 감지함으로써 나노스케일 핵 스핀 이미징을 가능하게 하기 위해.
• 핵 스핀 시스템은 고전적으로 취급하면서도 NV 센서의 양자적 성질을 고려한 검출 프로토콜을 개발하기 위해.
• 상관 함수 재구성에 의해 이미지 대trast 메커니즘과 국소적 핵 스핀 분광법을 제시하기 위해.
• 실제 실험 조건, 즉 실온 운용과 5 nm 해상도를 고려한 실현 가능성 확립하기 위해.

제안 방법

• 실온에서 장수명 공명 시간(>1 ms)을 가지는 다이아몬드 내 질소빈약(NV) 중심을 사용하여 인접한 핵 스핀의 자기장을 감지하는 양자 센서로 활용한다.
• NV 중심의 형광에서의 변동을 측정하기 위해 위상 이동이 있는 마이크로파 펄스를 사용하는 동적 분리 시퀀스를 적용하며, 이는 핵 스핀에 의해 유도된 자기장에 민감하다.
• 신호 대 잡음비(SNR) 분석을 위해 평균 형광과 형광 분산을 검출 관측량으로 사용하며, 양자 측정 이론에서 유도된 SNR 식을 사용한다.
• 핵 스핀 시스템을 변동하는 드브필드를 생성하는 고전적 군집로 모델링하고, NV 중심은 두 상태 시스템으로 양자역학적으로 취급한다.
• 두 가지 검출 방법에 대한 SNR 식을 유도함: 광자 수 평균(Eq. 10)과 형광 분산(Eq. 18)으로, 현실적인 조건과의 호환성을 보여준다.
• 시간에 따른 위상 변동을 분석함으로써 국소적 핵 스핀 상관 함수와 스펙트럼을 재구성하며, 분광학적 대비를 가능하게 한다.

Figure 1: (a) Basic diamond-based magnetometry pulse sequence. (b) With the NV center at the reference frame origin, the grayscale indicates the relative contribution to field fluctuations from spins in a uniformly dense film. (c) In units of the relative radial coordinate $s/d$ , the upper set of c

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 실질적인 조건 하에, 단일 NV 중심이 높은 밀도의 프로톤화된 샘플에서 중간 척도 핵 스핀 노이즈를 충분한 신호 대 잡음비로 감지할 수 있는가?
• RQ2 NV 센서의 양자적 성질이 핵 스핀 변동에 대한 최적의 검출 프로토콜에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 스캐닝 NV 센서를 사용해 핵 스핀 노이즈의 시간적 상관관계를 분석함으로써 어떤 이미지 대비 메커니즘이 도출될 수 있는가?
• RQ4 NV 기반 측정으로부터 국소적 핵 스핀 상관 함수와 스펙트럼을 재구성할 수 있는가?
• RQ5 이러한 나노스케일 NMR 이미징 기법의 실용적 한계, 즉 해상도와 감도는 무엇인가?

주요 결과

• NV 형광 분산을 통한 핵 스핀 노이즈 감지의 신호 대 잡음비는 약 0.1⟨ϕ²⟩√α 수준에 도달하며, 이는 α가 감지된 광자의 수를 나타내므로 현실적인 조건 하에서의 실현 가능성을 시사한다.
• excitation 펄스와 projection 펄스 사이의 위상 차이 θ가 (2k+1)π/2일 경우, 고전적 잡음과 양자적 잡음 기여의 상충으로 인해 신호가 핵 자기장 변동에 민감하지 않게 된다.
• θ = kπ일 경우, 형광 분산 신호는 핵 스핀 변동에 대해 최대 민감도를 보이며, 양자 프로젝션 잡음이 존재하더라도 센서 출력의 관측 가능한 변화를 가능하게 한다.
• 이 방법은 국소적 핵 스핀 상관 함수 재구성에 기여하며, 이를 푸리에 변환하여 공간적으로 분해능이 높은 핵 스핀 스펙트럼을 확보할 수 있다.
• 이론적 계산 결과, 현재 실험적 조건을 기반으로 실온 또는 그 근처에서 약 5 nm 해상도의 2차원 핵 스핀 이미징이 가능함을 보여준다.
• 이 방법은 스핀 밀도, 상관 시간, 스펙트럼 특징 등의 다수의 대비 메커니즘을 제공하며, 이는 복잡한 생물학적 또는 유기 물질의 이미징에 필수적이다.

Figure 2: (Upper left insert) High-resolution SEM image of fixated E. Coli . Brighter (darker) regions correlate with high (low) spin density. (Main images) ‘Raster scan’ reconstructions of the corresponding 2D spin lattice. The color code gauges the average NV center fluorescence as determined afte