Une méthode de détection par résonance paramagnétique à haute résolution basée sur le capteur quantique de centre de couleur de la lacune d'azote (NV) du diamant a été proposée et mise en œuvre expérimentalement dans une étude dirigée par l'académicien DU Jiangfeng du CAS Key Laboratory of Microscale Magnetic Resonance of University of Science and Technology of Chine (USTC) de l'Académie chinoise des sciences (CAS).

Les chercheurs ont obtenu le spectre de résonance paramagnétique à spin unique avec une résolution spectrale en kilohertz (kHz). L'étude a été publiée dans Avancées scientifiques .

Une tendance majeure du développement de la spectroscopie par résonance paramagnétique électronique est d'obtenir des informations aussi précises que possible à partir du moins d'échantillons possible, ce qui nécessite d'améliorer à la fois la résolution spatiale et la résolution spectrale. Au cours des dernières décennies, la résolution spatiale a été considérablement améliorée, et la détection de la résonance paramagnétique à spin unique a même atteint l'échelle nanométrique en raison de l'émergence d'une nouvelle technologie de détection. Cependant, la résolution spectrale reste dans l'échelle du mégahertz (MHz) à cause du bruit externe incontrôlable. Par conséquent, une nouvelle méthode doit être trouvée afin de briser la limitation actuelle de la résolution spectrale causée par le bruit.

Un autre moyen direct et efficace consiste à rendre le spin mesuré naturellement insensible au bruit extérieur. Un certain type d'états de spin peut résister à la perturbation du bruit de champ magnétique externe, et les raies spectrales générées par l'électron lors du transit entre ces états de spin seront rétrécies. Il a été rapporté que ce phénomène existe également pour une sorte de matériau paramagnétique sous champ magnétique nul dans des recherches antérieures. Cependant, la sensibilité de détection de la technologie de résonance paramagnétique traditionnelle est liée à l'amplitude du champ magnétique, et l'efficacité de détection en champ zéro est extrêmement faible, ce qui limite l'application pratique.

Par conséquent, les chercheurs ont utilisé un capteur quantique de centre de couleur NV en diamant pour détecter la résonance paramagnétique. Des travaux antérieurs ont prouvé que le centre de couleur NV a toujours une sensibilité de détection de niveau à un seul spin, même à champ nul.

Afin d'observer le rétrécissement des raies spectrales et de réaliser une détection par spectroscopie haute résolution, il faut aussi éliminer l'élargissement de la raie spectrale provoqué par le capteur NV lui-même. Inspiré de la détection de corrélation en résonance magnétique nucléaire (RMN), L'équipe de DU a conçu une séquence de corrélation de résonance paramagnétique adaptée au champ zéro, ce qui a fortement supprimé l'élargissement intrinsèque des capteurs NV.

Grâce à cette nouvelle méthode, ils ont détecté avec succès la transition de rétrécissement du spin électronique d'un seul atome d'azote dans le diamant dans leur expérience. Par rapport à la méthode traditionnelle, la résolution spectrale a été considérablement améliorée de 27 fois, atteignant 8,6 kHz.

Ces résultats expérimentaux ont montré que la technologie de résonance paramagnétique basée sur un capteur quantique NV peut atteindre une résolution spatiale et spectrale élevée. À la fois, cette méthode n'est pas limitée par des conditions environnementales difficiles (telles que le vide ou la basse température), ce qui est très compétitif dans les applications biologiques. Des informations plus détaillées sur la structure, les changements dynamiques et les caractéristiques environnementales locales d'une seule molécule peuvent être analysés.