[논문 리뷰] Room temperature bulk diamond 13-C hyperpolarisation -- Strong evidence for a complex four spin coupling

Ralf Wunderlich, Jonas Kohlrautz외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 27.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 18인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 인공 다이아몬드에서 질소 흠결(NV) 중심으로부터 전자 스핀 균형 전이를 통해 실온에서 13C 핵의 부피 수퍼포화를 입증하며, NV–13C 및 P1–14N 결함을 포함하는 네 스핀 결합 메커니즘에 대한 강력한 증거를 제시한다. 이 방법은 단 두 분 동안 23시간 분량의 신호 대 잡음비를 달성하며, 특정 자기장에서 관측된 극대기인 극도의 균형화된 스핀 전이에 의해 유도된 것으로, P1 중심에 의한 교차 균형화를 통해 검증된 네 스핀 동역학 모델에 의해 뒷받침된다.

ABSTRACT

Hyperpolarisation at room temperature is one of the most important research fields in order to improve liquid, gas or nanoparticle tracer for Magnetic Resonance Imaging (MRI) in medical applications. In this paper we utilize nuclear magnetic resonance (NMR) to investigate the hyperpolarisation effect of negatively charged nitrogen vacancy (NV) centres on carbon-13 nuclei and their spin diffusion in a diamond single crystal close to the excited state level anti crossing (ESLAC) around 50 mT. Whereas the electron spins of the NV centre can be easily polarized in its m = 0 ground state at room temperature just by irradiation with green light , the swop of the NV electron spin polarization to a carbon-13 nuclei is a complex task. We found that the coupling between the polarized NV electron spin, the electron spin of a substitutional nitrogen impurity (P1) as well as its nitrogen-14 nuclei and the carbon-13 nuclear spin has to be considered. Here we show that through an optimization of this procedure, in about two minutes a signal to noise ratio which corresponds to a 23 hour standard measurement without hyperpolarisation and an accumulation of 460 single scans can be obtained. Furthermore we were able to identify several polarisation peaks of different sign at different magnetic fields in a region of some tens of gauss. Most of the peaks can be attributed to a coupling of the NV centres to nearby P1 centres. We present a new theoretical model in a framework of cross polarisation of a four spin dynamic model in good agreement with our experimental data. The results demonstrate the opportunities and power as well as limitations of hyperpolarisation in diamond via NV centres. We expect that the current work may have a significant impact on future applications.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 다이아몬드 내 13C 핵의 수퍼포화를 달성하여 MRI 감도를 향상시키는 것.
• 관측된 자기장 의존성 핵 균형도 피크의 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• 균형 전이가 NV–13C 결합만을 통해 이루어지는지, 또는 P1–14N 중심과 같은 추가 스핀 시스템을 통해 매개되는지 확인하는 것.
• 실험적 균형 패턴을 설명하는 네 스핀 동역학 모델을 개발하고 검증하는 것.

제안 방법

• 저자 제작 NMR 시스템에 헬름홀츠 코ils와 532 nm 레이저를 사용하여 최대 60 mT의 낮은 자기장을 적용하고 실온에서 NV 중심을 광학적으로 균형화시켰다.
• 다이아몬드 시료는 고해상도 NMR 측정을 가능하게 하기 위해 300 MHz 초전도 NMR 자기장으로 이동시켰으며, 이는 13C 핵 스핀 균형도를 검출하는 데 기여했다.
• 기본 상태 m=0 수준에서 NV 중심의 광학적 자극이 전자 스핀 균형도를 유도하였고, 이는 자외선 및 두극자 상호작용을 통해 13C 핵으로 전이되었다.
• 실험 데이터와 일치시키기 위해 매개변수를 조정한 이론적 네 스핀 동역학 모델을 개발하여 NV–13C 및 P1–14N 스핀 시스템 간의 교차 균형화를 시뮬레이션하였다.
• 이 모델은 I^C_z의 기대값에 기반한 스핀 전환 확률을 포함하였으며, 최대 5 nm 거리에서 2.5 MHz까지의 두극자 결합 강도를 고려했다.
• 실험적 자기장 스weep는 관측된 피크 형상을 일치시키기 위해 가우시안 분포(FWHM 0.1 mT)와 컨볼루션 처리되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드의 NV 중심이 존재하는 조건에서 약 50 mT에서 관측된 13C NMR 스펙트럼의 자기장 의존성 균형도 피크는 무엇에 기인하는가?
• RQ2 수퍼포화 효과는 주로 NV–13C 자외선 결합에 의해 주도되는가, 아니면 P1–14N 중심과 같은 추가 스핀 시스템을 통해 매개되는가?
• RQ3 NV, 13C, P1, 14N 스핀을 포함하는 네 스핀 동역학 모델이 실험적 균형 패턴과 피크 부호를 정량적으로 재현할 수 있는가?
• RQ4 P1 중심의 존재는 13C 핵 균형도의 효율성과 부호에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 스핀 확산은 다이아몬드 격자 내에서 수퍼포화를 어떻게 전파하는가?

주요 결과

• 표준 NMR 측정에서 23시간 분량의 신호 대 잡음비가 단 두 분의 수퍼포화로 달성되었으며, 기존 방법 대비 460배 향상된 것으로 확인되었다.
• 30–50 가우스 범위에서 부호가 다양한 다수의 균형도 피크가 관측되었으며, 대부분은 NV 중심과 근접한 P1 중심 간의 결합에 기인한 것으로 추정된다.
• 주요 균형도 패턴은 NV–13C 시스템과 P1–14N 시스템 간의 교차 균형화에 의해 가장 잘 설명되며, 이는 P1 중심이 균형도 전이 과정에서 매개체 역할을 한다는 것을 시사한다.
• 네 스핀 동역학 모델(NV–13C–P1–14N)을 사용한 이론적 시뮬레이션은 실험적 균형도 피크의 형태와 자기장 의존성을 성공적으로 재현하였다.
• 모델은 NV–13C 및 P1–14N 결합이 약 0.5 MHz 이내에서 공명 에너지 전이가 가능할 정도로 강력할 경우에만 효율적인 균형도 전이가 일어나며, 이는 관측된 두극자 결합 강도와 일치한다.
• 데이터에 소규모 설명되지 않은 특징이 존재하며, 이는 15N–P1 중심과 연관될 수 있어, 수퍼포화 메커니즘에서 질소 이소토프의 추가 탐색 가능성이 제기된다.