[논문 리뷰] Room-Temperature in situ Nuclear Spin Hyperpolarization from Optically-Pumped Nitrogen Vacancy Centers in Diamond

Jonathan P. King, Keunhong Jeong외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 13.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 방사선 조사 없이 실온에서 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심의 광학적 투과와 동적 핵분극(DNP)을 조합하여 13C 핵스핀의 실시간 초분극화를 구현한다. 532 nm 레이저 조사와 420 mT에서의 마이크로파 조사 조건에서 저자들은 표준 유도 NMR을 통해 샘플 이동이나 정밀한 결정 정렬 없이도 6%의 부피 핵스핀 분극도를 달 đạt하였다. 이는 다양한 자기장 조건에서 고감도 NMR을 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실온 및 대기압 자기장 조건에서 핵스핀의 일반적인 초분극화 방법을 개발하기 위해.
• 냉각 조건, 샘플 이동, 정밀한 결정 정렬이 필요 없는 NMR 초분극화 기법을 제거하기 위해.
• 표준 NMR 검출에 적합한 자기장 조건에서 광학적으로 분극화된 NV 중심과 DNP를 이용해 13C 스핀의 부피적 실시간 초분극화를 가능하게 하기 위해.
• 초분극화가 동일한 실험 조건에서 생성되고 검출될 수 있음을 입증하여 전용 장비 없이도 NMR 감도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 532 nm 레이저를 이용한 광학적 투과는 실온에서 NV⁻ 중심의 ms=0 상태를 선택적으로 인플레이션시켜 큰 전자스핀 분극도를 생성한다.
• 8896 MHz에서의 마이크로파 조사는 두 개의 스핀 간의 두극자 결합을 통해 금지된 핵스핀 전이를 유도하며, 고체 효과 또는 열혼합 메커니즘을 통해 NV⁻에서 13C 핵으로의 분극도 전달을 가능하게 한다.
• 유도 NMR 검출이 가능한 420 mT에서 실험를 수행하여 100 mT나 50 mT에서의 수준 반대교란 조건이 필요 없도록 한다.
• 60회 스캔, 60초 반복 시간을 사용하여 표준 유도 NMR 프로브로 핵스핀 분극도를 측정하며, Gd(III)-도핑된 13C 농축 DMSO 샘플을 기준으로 校정한다.
• 레이저 강도와 마이크로파 출력을 변화시켜 분극도 전달 효율을 최적화하며, 높은 강도와 출력에서 분극도 수율이 약간 향상됨을 관찰한다.
• 샘플 이동이나 정밀한 결정 정렬 없이도 실시간으로 작동하여 실온 조건에서의 초분극화를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각 조건 없이 다이아몬드 내 NV 중심을 이용해 실온에서 부피 핵스핀 초분극화를 달성할 수 있는가?
• RQ2 표준 유도 NMR 검출에 적합한 자기장 강도에서 실시간으로 초분극화를 생성하고 검출할 수 있는가?
• RQ3 레이저 강도와 마이크로파 출력이 420 mT에서 OP/DNP의 분극도 전달 효율에 어느 정도 기여하는가?
• RQ4 관측된 초분극화가 고체 효과, 열혼합, 또는 이 둘의 조합에 의해 발생하는가?

주요 결과

• 실온 및 420 mT 자기장 조건에서 4.5 mg의 다이아몬드 샘플에서 13C 핵스핀의 부피 분극도가 6%에 도달하였다.
• 초분극화가 실시간으로 생성되었고, 샘플 이동이나 재정렬 없이 표준 유도 NMR 프로브로 검출되었다.
• Gd(III)-도핑된 13C 농축 DMSO 샘플과의 비교를 통해 분극도 수준을 확인하였으며, 10 ms 반복 시간에서 12,676회 스캔 시 신호 강도는 약 12배 낮았다.
• 레이저 강도는 분극도와 약한 정적 상관관계를 보였으며, 이는 고강도에서 더 큰 분극도를 가지는 NV 중심의 효과적 부피가 증가함을 시사한다.
• 마이크로파 출력도 분극도 전달을 향상시켰으며, 이는 고체 효과 및 열혼합 DNP 메커니즘이 동시에 작용하고 있음을 뒷받침한다.
• 이 방법은 임의의 자기장에서 작동하며 수준 반대교란 조건이 필요 없어 실온에서 고체 및 액체의 NMR에 넓은 적용 가능성을 지닌다.