讲述了一个新版的事情

的磁场、电场、温度、pH值、力量和压力——这就是它!氮-空位中心说先锋Jorg Wrachtrup这些钻石的缺陷,列出一连串令人眼花缭乱的变量被用来意义。这些缺陷已经从好奇到潜在的量子计算机组件和无价的工具来分析单个分子和活细胞。氮-空位中心已经做了很多化学领域近几十年来,那些认为还有更多的他们能做的。

氮是最常见的杂质在钻石,其他包括硅、锗和金属镍、钴等。作为一个比碳氮原子有一个电子,它只有三个化学键形式而不是四个,让它形成一个束缚态空缺——一个点在一个碳原子的晶格是失踪。氮-空位中心在1970年代首次发现。(研究人员)不理解他们,但他们分类——这是非常重要的工作,“¹解释了罗纳德·Walsworth哈佛大学的我们。在一个中立的氮-空位中心,被称为NV⁰中心,四个五个未配对电子的空位(两个氮原子的三个相邻的碳原子的p轨道)形式对。这将创建一个系统,一个未配对电子。

没多久,我们做一些粗略的计算和实现nitrogen-vacancies可能是一个非常好的传感器

罗纳德•Walsworth哈佛大学

的公司⁰中心还可以从晶格中吸收一个电子,形成一个NV^{- - - - - -}中心。的公司^{- - - - - -}中心可以通过绿色兴奋光子,发射一个红色光子衰变回到基态。NV^{- - - - - -}中心有三个可能的旋转子层次,其中一个辐射比其他两个更强烈。2000年左右,费铎Jelezko,Wrachtrup和他的同事们在德国斯图加特大学的显示个别NV的自旋状态^{- - - - - -}中心可以测量和操纵光,即使在环境条件。²有两个缺陷的钻石,一个或两个缺陷碳化硅(与该属性),“Wrachtrup解释道。所有其他材料和分子我们看着不显示任何类型的光学旋转签名。这导致研究今天仍在使用^{- - - - - -}量子光学和量子信息中心。

敏感信息

一个领导者在这个领域是Walsworth哈佛的同事米哈伊尔·鲁金。Walsworth与鲁金和其他同事包括解释了讨论德米特里•Budker和阿米尔Yacoby导致一个简单但非常富有成果的想法:人们知道NV^{- - - - - -}中心磁场的敏感性,”他说。“这是一件事你必须纠正量子光学实验。如果你没有得到你刚好你的烦人的敏感领域的神不会让你做你想做的事。我们认为“让我们扭转它,如果你有这个东西太敏感,也许这将是一个有用的传感器!“没多久,我们做一些粗略估算,意识到这可能是一个非常好的传感器对于许多应用程序。³斯图加特的研究人员独立开发类似的想法,克里斯汀·德根而在IBM的博士后。

NV至关重要的优势之一^{- - - - - -}Wrachtrup解释说,中心是荧光变化通常是可预测的,所以它不需要校准的具体实验。如果你使用其他纳米温度传感器,例如,分子,然后依靠分子使构象的变化在一个特定的温度——例如展开还是一个顺反异构化,”他说。这本身是一个非常特征明显的过程。然而,它几乎总是在很大程度上依赖于环境的分子。使这些测量高度倾向于文物和前需要仔细校准测量。“相比之下,NV的温度敏感性^{- - - - - -}中心的热膨胀纯粹来自钻石。另一方面,如果我们测量磁场,磁场的NV过渡频率的函数非常出名,只取决于基本常数,“Wrachtrup说。

到目前为止,主要的应用^{- - - - - -}中心在磁力测定。虽然他们比最好的宏观场不敏感传感器,NV^{- - - - - -}中心可以将非常高的灵敏度与原子大小,因此纳米尺度的空间分辨率。这使得它们非常适合所谓nano-NMR。

极限

传统的核磁共振光谱和核磁共振成像或MRI利用感应线圈检测样品的磁化强度,但这需要宏观样本线圈中产生足够大的电流。这可以防止单个分子的检测。然而在2014年,Jelezko -现在在德国乌尔姆大学和他的同事们向artificially-implanted NV钻石^{- - - - - -}中心与硅接触。硅的主要同位素、silicon-28 spinless,但研究人员用他们的交互与钻石NV^{- - - - - -}中心定位的位置四个silicon-29原子核,内旋½,二氧化硅晶格。⁴同年,哈佛的鸿坤公园使用鲁金Walsworth,感觉到的和局部的一个质子旋转的金刚石表面。⁵在一起,这些结果达到最终的空间分辨率限制核磁共振光谱学通过检测单一的旋转。

随后,2016年,哈佛大学和乌尔姆的研究人员合作,开发了一种新的旋转检测过程的技术敏感500倍,和用它来检测蛋白质的泛素分子的位置——一个小发现在所有植物和动物组织中,表面上的钻石。⁶他们正在寻求推动进一步的敏感性。我们发现整个分子:它的存在或不存在,“Jelezko说,但解决核磁共振光谱的精细结构和解决至少一部分分子的结构从高分辨率核磁共振谱未来绝对是一个巨大的挑战。”

数篇论文解决这一挑战已经发表在过去的几个月里。的主要困难之一是,核磁共振光谱学依靠极其精确测量原子核进动频率的磁场来推断他们的化学环境。NV中心可以测量旋进的频率只剩下只要量子态相干——通常几微秒,如此短暂的测量的频率不可避免地具有显著的不确定性。然而,Jelezko乌尔姆大学的小组,德根背靠背在瑞士苏黎世联邦理工学院的研究小组最近发表了论文^7、8揭幕的振荡技术一个NV中心引用外部时钟跟踪时间在整个实验过程。因此,量子态的NV中心可以重置,用来测量频率相同的一遍又一遍,结果被拼接在一起让之前,有效decoherence-free测量。

在实际核磁共振应用程序,然而,其他问题依然存在。首先,一个NV中心只能监视一个小的空间区域,自由和样品分子在液体中扩散。Wrachtrup斯图加特集团在日本和他的同事们最近发表的第一个测量实现化学特异性测量在一个NV中心接触20 zeptolitre (2×10^-20年l)样品用非常高的领域和高粘度液体。⁹他们的光谱敏感性远远低于可实现的经典核磁共振,然而。Wrachtrup说,进一步的改善可能会依赖的发展有效途径限制液体分子的扩散没有扭曲他们的核磁共振信号。

有很多组织使用NVs传感器在各种各样的事情

罗纳德•Walsworth哈佛大学

第二个问题是,旋转在纳米级样品随机波动,这阻碍了微型核磁共振信号的相干检测通过缝合在一起的多个测量。在同时发表的作品中乌尔姆和苏黎世ETH论文在arXiv, Walsworth哈佛集团推出相同的技术缝合在一起的多个测量,同时也扩展到更大的传感器包含NV中心的集合体。¹⁰这使他们监控大——虽然小样本具有更稳定的批量两极分化,尽管有一个明确的空间分辨率。此外,作为一个更大的地区可以监控,扩散在这个地区的影响不太显著。在多个不同的样本,研究人员获得决议100倍比以前见过的NV-centre NMR -和观察到的许多关键特性用于解释古典首次核磁共振。betway必威游戏下载大全

NV磁力测定已经在地球物理学发现真实的应用程序中。磁性纳米颗粒的取向分析陨石能产生磁场的信息在太阳系的形成和早期的地球。NV磁力测定也进入生物物理学映射神经元动作电位。

热点

除了磁力测定,不同的研究人员利用NV^{- - - - - -}中心在非常棘手的情况下执行精确温度测量。2013年,哈佛大学的研究人员领导的鲁金,公园内化金纳米粒子和纳米金刚石植入NV^{- - - - - -}中心到活细胞。¹¹通过使用激光加热的金纳米粒子和监控NV的温度^{- - - - - -}中心在不同位置,研究人员控制和测量单个细胞内温度梯度与millikelvin准确性、诱导温度的差异5 k / 7μm的距离。在未来,研究人员表示,这种技术可以用来杀死癌细胞在不损害健康的组织和监控,甚至控制代谢过程,如基因表达。2016年3月,纽约城市大学的研究人员领导的物理学家卡洛斯·梅林和生物医学工程师泗洪县王NV-implanted纳米金刚石和Wrachtrup用来确定温度差异的健康细胞和癌细胞。¹²

现在我想在相对短期magmetometry将形成的大多数应用程序中,“Walsworth预言。然而,他指出,有许多组织使用NVs传感器在各种各样的事情。你可以坐在那里,你可能会看到一些新的报纸每天。现在我只是把它描述成一种平台技术,人们可以使用在许多不同的领域。