Un metodo di rilevamento della risonanza paramagnetica ad alta risoluzione basato sul sensore quantistico del centro di colore dell'azoto vacante (NV) del diamante è stato proposto e implementato sperimentalmente in uno studio condotto dall'accademico DU Jiangfeng del CAS Key Laboratory of Microscale Magnetic Resonance of University of Science and Technology of Cina (USTC) dell'Accademia cinese delle scienze (CAS).

I ricercatori hanno ottenuto lo spettro di risonanza paramagnetica a spin singolo con risoluzione spettrale in kilohertz (kHz). Lo studio è stato pubblicato su Progressi scientifici .

Una delle principali tendenze di sviluppo della spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica è quella di ottenere informazioni più accurate possibili dal minor numero di campioni possibile, che richiede il miglioramento sia della risoluzione spaziale che della risoluzione spettrale. Negli ultimi decenni, la risoluzione spaziale è stata notevolmente migliorata, e il rilevamento della risonanza paramagnetica a spin singolo ha raggiunto anche la scala nanometrica a causa dell'emergere di una nuova tecnologia di rilevamento. Però, la risoluzione spettrale rimane nella scala dei megahertz (MHz) a causa del rumore esterno incontrollabile. Perciò, è necessario trovare un nuovo metodo per superare l'attuale limitazione della risoluzione spettrale causata dal rumore.

Un modo più diretto ed efficace è quello di rendere la rotazione misurata naturalmente insensibile al rumore esterno. Un certo tipo di stati di spin può resistere al disturbo del rumore del campo magnetico esterno, e le righe spettrali generate dall'elettrone durante il transito tra questi stati di spin saranno ristrette. È stato riportato che questo fenomeno esiste anche per un tipo di materiale paramagnetico a campo magnetico nullo in ricerche precedenti. Però, la sensibilità di rilevamento della tradizionale tecnologia di risonanza paramagnetica è correlata all'entità del campo magnetico, e l'efficienza di rilevamento in campo zero è estremamente bassa, che ne limita l'applicazione pratica.

Perciò, i ricercatori hanno utilizzato il sensore quantistico del centro di colore NV nel diamante per rilevare la risonanza paramagnetica. Il lavoro precedente ha dimostrato che il centro colore NV ha ancora una sensibilità di rilevamento del livello di rotazione singola anche a campo zero.

Per osservare il restringimento delle linee spettrali e realizzare il rilevamento spettroscopico ad alta risoluzione, è inoltre necessario eliminare l'allargamento della riga spettrale causato dal sensore NV stesso. Ispirato dal rilevamento della correlazione nella risonanza magnetica nucleare (NMR), Il team di DU ha progettato una sequenza di correlazione di risonanza paramagnetica adatta al campo zero, che ha notevolmente soppresso l'allargamento intrinseco dei sensori NV.

Utilizzando questo nuovo metodo, hanno rilevato con successo il restringimento della transizione dello spin dell'elettrone di un singolo atomo di azoto nel diamante nel loro esperimento. Rispetto al metodo tradizionale, la risoluzione spettrale è stata notevolmente migliorata di 27 volte, raggiungendo 8,6kHz.

Questi risultati sperimentali hanno mostrato che la tecnologia di risonanza paramagnetica basata sul sensore quantistico NV può raggiungere sia un'elevata risoluzione spaziale che spettrale. Allo stesso tempo, questo metodo non è limitato da condizioni ambientali difficili (come vuoto o bassa temperatura), che è molto competitivo nelle applicazioni biologiche. Informazioni più dettagliate sulla struttura, possono essere analizzati i cambiamenti dinamici e le caratteristiche ambientali locali di una singola molecola.