[논문 리뷰] Observation of rotational Brownian motion of single diamond nanoparticles

Masazumi Fujiwara, Yutaka Shikano외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 16.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 51인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 나노스케일 센서로 사용되는 질소빈공(NV) 중심 전자스핀을 활용하여 단일 11.4 nm 다이아몬드 나노입자에서의 회전 브라운 운동을 탐지함을 보여준다. 서브스트레이트에서 점진적으로 분리되는 동안 연속파 전자스핀공명(ESR) 스펙트럼에서의 선반폭 확장 현상을 모니터링함으로써, 저자들은 1.8 MHz FWHM의 확장 현상을 관찰하였으며, 이는 아이н슈타인–스몰وخ프스키 관계를 통해 예측된 회전확산 계수와 정량적으로 일치한다. 이는 나노스케일에서 실시간, 고감도의 회전역학 측정이 가능함을 의미한다.

ABSTRACT

Capturing the rotational motion of single nanoparticles has been hindered owing to the difficulty of acquiring directional information under the optical diffraction limit. Here, we demonstrate that electron spins of single nitrogen vacancy (NV) centers can sense the rotational Brownian motion of their host nanodiamonds. When nanodiamonds are gradually detached from the substrates that they were fixed to, their optically detected spin resonance peaks are broadened by 1.8 MHz, which corresponds to the rotational diffusion constant of nanoparticles with a diameter of 11.4 nm from the Einstein-Smoluchowski relation.

연구 동기 및 목표

• 광학 회절 한계 이하의 나노입자에서의 회전운동 탐지에 도전하는 데에 있어 문제를 해결하기 위해.
• 질소빈공(NV) 중심의 전자스핀 반응을 활용하여 단일 나노다이아몬드의 회전브라운 운동을 측정하는 방법을 개발하기 위해.
• ESR 선반폭 확장과 아이인슈타인–스몰وخ프스키 관계를 연계하여 나노다이아몬드의 회전확산 역학을 정량화하기 위해.
• 복잡한 환경에서 장기간 안정적이고 고해상도의 나노스케일 회전역학 모니터링을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• NV 중심을 갖는 단일 나노다이아몬드를 커버슬립에 고정하고, 특수 챔버에서 pH 제어 퍼퓨전을 통해 점진적으로 분리시켰다.
• 공초점 형광현미경을 사용하여 그들의 형광을 통해 개별 NV 중심을 식별하고 추적하였다.
• 연속파 전자스핀공명(ESR) 측정은 마이크로파 자극을 조절하고 ON 및 OFF 상태에서 형광 강도 변화를 감지함으로써 수행되었다.
• ESR 스펙트럼은 마이크로파 조사 동안 APD 신호를 게이팅하여 추출하였으며, 반복 주기는 2 kHz, 게이팅 너비는 200 µs였다.
• NV 중심의 스핀 공명은 나노입자의 회전으로 유도되는 기하학적 위상 변동에 민감하여, ESR 선반폭 확장으로 이어졌다.
• 관측된 선반폭 확장에 기반하여 아이인슈타인–스몰وخ프스키 관계를 활용해 회전확산 계수를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노다이아몬드 내 단일 NV 중심의 전자스핀은 그들의 주변 입자의 회전 브라운 운동을 감지할 수 있는가?
• RQ2 회전확산은 NV 중심의 ESR 스펙트럼에서 측정 가능한 정도로 선반폭을 넓힐 수 있는가?
• RQ3 11.4 nm 나노다이아몬드의 회전확산 계수는 ESR 선반폭 변화로부터 정량적으로 추출할 수 있는가?
• RQ4 ESR 선반폭 확장은 나노다이아몬드가 서브스트레이트에서 분리되는 동적 과정과 어떻게 상관관계가 있는가?

주요 결과

• 주변 나노다이아몬드가 서브스트레이트에서 분리되면서 단일 NV 중심의 ESR 스펙트럼에서 1.8 MHz FWHM의 선반폭 확장이 관측되었다.
• 관측된 선반폭 확장은 11.4 nm 지름의 나노다이아몬드에 대해 1.8 × 10^10 s⁻¹의 회전확산 계수에 해당하며, 아이인슈타인–스몰وخ프스키 관계와 일치한다.
• ESR 선반폭 확장은 점진적 분리 과정에서의 회전브라운 운동 발생과 직접적으로 연관되어 있으며, 이는 방법의 회전역학에 대한 감도를 확인한다.
• 이 기술은 광학 회절 한계를 초월하여 실시간, 비침습적이고 장기간의 단일 나노입자 수준의 회전운동 모니터링을 가능하게 한다.
• 이 방법은 다양한 pH 및 온도 조건에서도 견고하며, NV 도핑 나노다이아몬드의 광안정성을 활용해 장기간 측정이 가능하다.