[论文解读] Room temperature bulk diamond 13-C hyperpolarisation -- Strong evidence for a complex four spin coupling

Ralf Wunderlich, Jonas Kohlrautz+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2017

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 18被引用 3

一句话总结

本研究通过氮空位（NV）中心将电子自旋极化转移至合成金刚石中的13C核，实现了室温下体相超极化，揭示了NV–13C与P1–14N缺陷之间存在四自旋耦合机制的有力证据。该方法仅用两分钟即实现了相当于23小时的信噪比，实验中在特定磁场下观测到极化强度峰值，归因于取代氮（P1）中心介导的交叉弛豫，该结果通过四自旋动力学模型得到验证。

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.

研究动机与目标

• 在室温下实现金刚石中13C核的超极化，以增强磁共振成像的灵敏度。
• 确定观察到的磁场依赖性核极化峰背后的物理机制。
• 确定极化转移是否仅由NV–13C耦合驱动，还是涉及额外自旋系统（如P1–14N中心）。
• 建立并验证一个四自旋动力学模型，以解释实验中观测到的极化模式。

提出的方法

• 使用自建的NMR系统，配备亥姆霍兹线圈和532 nm激光，施加低磁场（最高60 mT），在室温下对NV中心进行光学极化。
• 将金刚石样品转移至300 MHz超导NMR磁体中进行高分辨率NMR测量，以检测13C核自旋极化。
• 在基态m=0能级对NV中心进行光学激发，诱导电子自旋极化，随后通过超精细相互作用和偶极相互作用将极化转移至13C核。
• 建立理论四自旋动力学模型，模拟NV–13C与P1–14N自旋系统之间的交叉弛豫，通过调整参数使模型与实验数据匹配。
• 模型中包含基于I^C_z期望值的自旋翻转概率，并考虑了偶极耦合强度（在5 nm距离下最高达2.5 MHz）。
• 将实验磁场扫描与高斯函数（半高全宽0.1 mT）卷积，以模拟分辨率效应并匹配观测到的峰形。

实验结果

研究问题

• RQ1 在含NV中心的金刚石中，13C NMR谱在约50 mT处观察到的磁场依赖性极化峰是由什么引起的？
• RQ2 超极化效应是否主要由NV–13C超精细耦合驱动，还是由额外自旋系统（如P1–14N中心）介导？
• RQ3 是否能通过包含NV、13C、P1和14N自旋的四自旋动力学模型定量再现实验中的极化模式和峰的符号？
• RQ4 P1中心的存在如何影响13C核极化的效率和符号？
• RQ5 自旋扩散在将超极化通过金刚石晶格传播的过程中起什么作用？

主要发现

• 仅用两分钟的超极化处理，即实现了标准NMR测量中相当于23小时的信噪比，相较于传统方法提升了460倍。
• 在30–50高斯区域内观测到多个符号各异的极化峰，其中大多数峰可归因于NV中心与附近P1中心之间的耦合。
• 主导的极化模式最合理地由NV–13C系统与P1–14N系统之间的交叉弛豫解释，表明P1中心在极化转移过程中起中介作用。
• 使用四自旋动力学模型（NV–13C–P1–14N）的理论模拟成功再现了实验极化峰的形状和磁场依赖性。
• 该模型表明，仅当NV–13C与P1–14N耦合足够强，以允许在约0.5 MHz内的共振能量转移时，才能实现高效的极化转移，与观测到的偶极耦合强度一致。
• 数据中少数未解释的特征可能与15N–P1中心有关，提示在超极化机制中进一步探索氮同位素的潜力。