由中國科學院院士、中國科學技術(shù)大學教授杜江峰領(lǐng)導的中國科學院微觀磁共振重點實驗室提出并實驗實現(xiàn)了一種基于金剛石氮-空位（NV）色心量子傳感器的新零場順磁共振方法，打破了傳統(tǒng)順磁共振信號強度對熱極化的依賴，將零場順磁共振的空間分辨率從厘米量級提升至納米級，為零場順磁共振的實用化開啟了一條新途徑。該研究成果以Nanoscale zero-field electron spin resonance spectroscopy 為題，發(fā)表在4月19日的《自然-通訊》上[Nature Communications 9, 1563 (2018)]。

電子順磁共振是當代重要的物質(zhì)科學研究手段。例如，對于自旋標記的生物分子樣品，可通過順磁共振技術(shù)獲取分子的動力學、結(jié)構(gòu)等重要信息。這些信息主要源于電子自旋的精細和超精細結(jié)構(gòu)，它們均可以從順磁共振譜中提取。但是由于磁場的存在，不同取向的分子會有不同的共振峰，從而不可避免地會引起譜線的非均勻展寬，使信息的獲取變得困難。目前技術(shù)發(fā)展的一個方向是通過不斷提高的強磁場來部分去除這種展寬的影響，但存在技術(shù)挑戰(zhàn)且成本高昂。而另一種簡單直接的方式是不加磁場，此時自旋系統(tǒng)的能級結(jié)構(gòu)只取決于系統(tǒng)的內(nèi)稟相互作用，不再與分子取向有關(guān)，原則上可以完全移除非均勻展寬。這種稱之為零場順磁共振的方法在幾十年前就已經(jīng)提出，但是受探測原理限制，傳統(tǒng)順磁共振譜儀的探測靈敏度依賴于磁場大小，在零場下的探測靈敏度極低，往往需要厘米尺寸的樣品量來累積足夠大的熱極化下的磁信號，極大地限制了零場順磁共振方法的應(yīng)用。這導致該方法幾十年來止步不前，并未獲得廣泛應(yīng)用。

在該工作中，杜江峰團隊針對零場順磁共振目前的困境，另辟蹊徑，采用了高靈敏度的金剛石NV色心量子傳感器和新穎的量子探測方法，來實現(xiàn)零場順磁共振。金剛石NV色心是一種固態(tài)的自旋量子體系，因其在量子調(diào)控方面的優(yōu)秀性質(zhì)，在量子計算和量子精密測量方面有著重要的應(yīng)用前景。尤其是量子精密測量方向，近十年來發(fā)展迅猛，已經(jīng)實現(xiàn)了單個生物分子的非零場順磁共振（杜江峰團隊，Science 347, 1135 (2015)）。NV色心量子傳感器之所以具備如此超高靈敏度的磁探測能力，一方面是因為NV色心尺寸極小（埃量級），可以將NV色心放置得離待測目標足夠近（納米量級）；另一方面是因為NV色心采用量子干涉儀的探測原理，可以將微弱的磁信號轉(zhuǎn)化為量子態(tài)的相位信息來讀出，靈敏度非常高。基于NV色心的微觀磁共振能夠達到納米級的空間分辨率和單個核自旋的高靈敏度，被認為是對傳統(tǒng)磁共振技術(shù)的革命性突破。

但是，以往使用的基于NV色心的順磁共振技術(shù)并不能直接應(yīng)用到零場情形，因為它需要對目標自旋進行精確操控，這在零場下十分困難。在該工作中，研究人員提出一種新的方法，用精心設(shè)計的微波脈沖連續(xù)驅(qū)動NV色心，通過改變驅(qū)動功率可以連續(xù)調(diào)控NV的能級劈裂，當其和目標自旋的能級劈裂匹配時會產(chǎn)生共振信號，過程中并不涉及對目標自旋的任何操控。實驗上，研究人員成功實現(xiàn)了對NV色心周圍15納米范圍內(nèi)的約4個金剛石內(nèi)部電子自旋的零場檢測，獲得了清晰的零場順磁共振譜，并從中直接提取了目標自旋的超精細常數(shù)。

這種新方法避開了非零場下譜線展寬的干擾，可以直接在納米尺度研究待測目標的能級結(jié)構(gòu)，使得零場順磁共振技術(shù)在單分子尺度上的應(yīng)用成為可能。之前已經(jīng)有研究表明，電子自旋標簽的超精細常數(shù)對分子所處的局域環(huán)境的電學性質(zhì)十分敏感，使用這一方法未來有望在單個分子尺度研究這種局域性質(zhì)。另外，該方法也可以用于解析電子-電子相互作用，如果在單個分子上標記多個自旋標簽，可以實現(xiàn)單分子的結(jié)構(gòu)解析。

中科院微觀磁共振重點實驗室博士生孔飛和趙鵬舉為該文并列第一作者，教師石發(fā)展和杜江峰為該文并列通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和安徽省的資助。

非零場（左）和零場（右）順磁共振譜的對比圖。可以看出與非零場下譜峰位置依賴分子取向不同，零場下譜線位置始終不變，使得不同取向的分子的疊加信號保持清晰。