[论文解读] Room-Temperature in situ Nuclear Spin Hyperpolarization from Optically-Pumped Nitrogen Vacancy Centers in Diamond

Jonathan P. King, Keunhong Jeong+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2015

High-pressure geophysics and materials参考文献 3被引用 4

一句话总结

本论文展示了一种在室温下、通过氮空位（NV）中心的光学泵浦结合动态核极化（DNP）实现金刚石中13C核自旋原位超极化的实验方法。通过施加532 nm激光和420 mT磁场下的微波辐射，作者实现了6%的宏观核自旋极化度，利用标准感应式NMR检测，无需样品转移或精确晶体取向，从而在任意磁场下实现高灵敏度NMR。

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.

研究动机与目标

• 开发一种在室温和环境磁场下实现核自旋超极化的通用方法。
• 消除NMR超极化中对低温条件、样品转移或精确晶体取向的需求。
• 在与标准NMR检测兼容的磁场下，利用光学极化的NV中心和DNP实现13C自旋的体相原位超极化。
• 证明超极化可在相同实验条件下生成与检测，从而在无需特殊设备的情况下提升NMR灵敏度。

提出的方法

• 使用532 nm激光进行光学泵浦，选择性地将NV−中心的ms=0态布居，从而在室温下产生大的电子自旋极化。
• 在8896 MHz频率下施加微波辐射，通过偶极耦合驱动禁戒核自旋跃迁，使极化通过固体效应或热混合机制从NV−转移至13C核。
• 实验在420 mT磁场下进行，该磁场下可实现感应式NMR检测，避免了在100 mT或50 mT处出现能级反交叉所需的磁场条件。
• 核自旋极化通过标准感应式NMR探头测量，经60次扫描（重复时间为60 s），并以掺杂Gd(III)的13C富集DMSO样品作为校准标准。
• 调节激光强度和微波功率以优化极化转移效率，结果显示增强的激光强度和微波功率可略微提升极化产率。
• 该方法无需样品转移或精确晶体取向，可在环境条件下实现原位超极化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不使用低温冷却的条件下，利用金刚石中的NV中心实现13C核自旋的体相超极化？
• RQ2 能否在与标准感应式NMR检测兼容的磁场强度下实现超极化的原位生成与检测？
• RQ3 在420 mT磁场下，激光强度和微波功率在OP/DNP中对极化转移效率的提升程度如何？
• RQ4 所观测到的超极化是源于固体效应、热混合，还是两者的共同作用？

主要发现

• 在室温及420 mT磁场下，4.5 mg金刚石样品中13C核自旋的体相极化度达到6%。
• 超极化在原位生成，并使用标准感应式NMR探头检测，无需样品转移或重新取向。
• 通过与掺杂Gd(III)的13C富集DMSO样品对比验证了极化水平，后者经12,676次扫描（重复时间为10 ms）产生的信号低约12倍。
• 激光强度与极化度呈轻微正相关，表明更高功率下高极化NV中心的有效体积增加。
• 微波功率的提升也增强了极化转移，与固体效应和热混合DNP机制均起作用的结论一致。
• 该方法适用于任意磁场，无需满足能级反交叉条件，因此在常温下对固体和液体NMR具有广泛适用性。