让事情有了新的变化

“磁场、电场、温度、pH值、力和压力——基本上就是这样!”氮空位中心的先驱说Jorg Wrachtrup，列出了这些钻石缺陷用来感知的令人眼花缭乱的变量数组。这些缺陷已经从好奇变成了量子计算机的潜在组件，再变成分析单分子和活细胞的无价工具。近几十年来，氮空位中心为化学做出了很多贡献，而该领域的研究人员认为他们还有很多工作要做。

氮是钻石中最常见的杂质，其他杂质还包括硅、锗以及镍和钴等金属。由于氮原子比碳原子多一个电子，它只形成三个化学键而不是四个，这使得它形成了一个带有空位的束缚态——晶格中缺少一个碳原子的点。氮空位中心在20世纪70年代首次被发现。“(研究人员)不太明白它们是什么，但他们对它们进行了分类——这是非常重要的工作。”¹解释了罗纳德·Walsworth美国哈佛大学教授。在一个中性氮空位中心，称为NV⁰中心，空位周围5个未配对电子中的4个(2个来自氮原子，3个来自邻近碳原子的p轨道)形成成对。这就产生了一个只有一个未配对电子的系统。

没过多久，我们就做了一些粗略的计算，意识到氮空位可能是一个非常好的传感器

罗纳德·沃尔斯沃斯，哈佛大学

的公司⁰中心也可以从晶格中吸收一个额外的电子，形成NV^{- - - - - -}中心。的公司^{- - - - - -}中心可以被一个绿色光子激发，当它衰变回基态时发射一个红色光子。NV^{- - - - - -}中心有三个可能的自旋子能级，其中一个比另外两个辐射更强。2000年左右,费铎Jelezko， Wrachtrup和德国斯图加特大学的同事表明，单个NV的自旋状态^{- - - - - -}即使在环境条件下，中心也可以通过光来测量和操纵。²Wrachtrup解释说:“金刚石有两个缺陷，碳化硅(具有这种特性)有一个或两个缺陷。”“我们观察过的所有其他材料和分子都没有显示出任何类型的光学自旋特征。这导致了今天仍在使用NV的研究^{- - - - - -}量子光学和量子信息中心。

敏感信息

沃尔斯沃斯在哈佛的同事是这一领域的领军人物米哈伊尔·鲁金．Walsworth解释了如何与Lukin和其他同事讨论德米特里•Budker而且阿米尔Yacoby导致了一个简单但非常富有成效的想法:“人们知道NV^{- - - - - -}中心有磁场敏感性，”他说。“这是你在量子光学实验中必须修正的一点。如果你不能正确设置你的字段，你那恼人的敏感的NVs就不会让你做你想做的事情。我们想:“让我们把它转过来——如果你有这么敏感的东西，也许它会是一个有用的传感器!”我们很快就做了一些粗略的计算，并意识到这是一种适用于许多应用的非常好的传感器。”^3.斯图加特大学的研究人员独立地提出了类似的想法克里斯汀·德根在IBM做博士后的时候

NV的一个关键优势是^{- - - - - -}Wrachtrup解释说，荧光变化通常是可预测的，因此不需要校准特定的实验。“如果你使用其他纳米级温度传感器，比如分子，那么你就依赖于分子在特定温度下发生构象变化的事实——例如，它会展开或弯曲顺反异构化，”他说。“这本身就是一个非常有特色的过程。然而，它几乎总是很大程度上取决于分子所处的环境。这使得这些测量很容易产生人为误差，在每次测量之前都需要仔细校准。相比之下，NV的温度敏感性^{- - - - - -}中心完全来自于钻石的热膨胀。Wrachtrup说:“另一方面，如果我们测量磁场，NV转变频率的磁场函数是众所周知的，它只依赖于基本常数。”

到目前为止，NV的主要应用^{- - - - - -}磁力学中心一直在研究。虽然它们的灵敏度低于最好的宏观场传感器，NV^{- - - - - -}中心可以将非常高的灵敏度与原子大小结合起来，因此具有纳米级的空间分辨率。这使得它们成为所谓的纳米核磁共振的理想材料。

极限

传统的核磁共振波谱学和磁共振成像或MRI使用感应线圈来检测样品的磁化，但这需要宏观样品在线圈中诱导足够大的电流。这就阻止了对单个分子的检测。然而，在2014年，Jelezko——现在在德国乌尔姆大学工作——和同事们在一颗钻石上植入了人工植入的NV^{- - - - - -}中心与二氧化硅接触。硅的主要同位素硅-28是无自旋的，但研究人员利用了它们与金刚石NV的相互作用^{- - - - - -}在二氧化硅晶格中精确定位四个自旋为1 / 2的硅29原子核的位置。⁴同年，哈佛大学鸿坤公园他与Lukin和Walsworth合作，在钻石表面感应并定位了一个质子自旋。⁵总之，这些结果通过检测单个自旋达到了核磁共振光谱的最终空间分辨率极限。

随后，在2016年，哈佛大学和乌尔姆大学的研究人员合作开发了一种新的自旋检测程序，使该技术的灵敏度提高了500倍，并使用它来检测钻石表面泛素分子的位置，泛素是一种存在于所有植物和动物组织中的小蛋白质。⁶他们希望进一步提高敏感度。Jelezko说:“我们将分子作为一个整体来检测:它是否存在，但要在核磁共振光谱中解析精细结构，并从高分辨率的核磁共振光谱中至少解析分子结构的一部分，这无疑是接下来将面临的一个巨大挑战。”

在过去几个月里，针对这一挑战发表了几篇论文。主要的困难之一是核磁共振波谱依赖于极其精确地测量原子核在磁场中的进动频率来推断它们的化学环境。NV中心只有在其量子态保持相干时才能测量进动频率——通常是几微秒——而如此短暂的频率测量不可避免地具有显著的不确定性。然而，乌尔姆大学的Jelezko小组和瑞士苏黎世联邦理工学院的Degen小组最近连续发表了论文^7、8揭示了一种技术，在该技术中，单个NV中心的振荡被参考到一个外部时钟，在整个实验中跟踪时间。因此，NV中心的量子态可以被重置，并用于一遍又一遍地测量相同的频率，然后将结果缝合在一起，形成一个有效的无退相干测量。

然而，在真实世界的核磁共振应用中，还存在其他问题。首先，单个NV中心只能监测很小的空间区域，并且液体样品中的分子可以自由扩散。Wrachtrup的斯图加特小组和日本的同事最近发表了第一个通过测量与20泽托升接触的单个NV中心来实现化学特异性的测量结果(2×10^-20年L)样品，使用非常高的场和高粘度的流体。⁹然而，它们的光谱灵敏度远远低于经典核磁共振所能达到的。Wrachtrup说，进一步的改进可能取决于开发有效的方法来限制液体分子的扩散，而不扭曲它们的核磁共振信号。

有几十个小组在各种各样的事情上使用NVs作为传感器

罗纳德·沃尔斯沃斯，哈佛大学

第二个问题是纳米级样品中的自旋是随机波动的，这阻碍了通过将多个测量值拼接在一起来相干检测微小的核磁共振信号。在arXiv上同时发表于乌尔姆大学和苏黎世联邦理工学院论文的工作中，Walsworth的哈佛团队揭示了将多个测量数据拼接在一起的相同技术，并将其扩展到包含NV中心集合的更大传感器。¹⁰这使他们能够监测更大的(尽管仍然很小)样品，这些样品具有更稳定的体偏振，尽管在空间分辨率上有明显的损失。此外，由于可以监测更大的区域，在这个区域内外扩散的影响就不那么显著了。在多个不同的样本中，研究人员获得了比以往在NV-centre NMR中所见的分辨率高近100倍的分辨率，并首次观察到用于解释经典NMR的许多关键特征。澳门万博公司

NV磁测已经在地球物理学中得到了实际应用。分析陨石中磁性纳米颗粒的取向可以获得太阳系形成期间和早期地球磁场的信息。NV磁测也进入生物物理学，用于绘制神经元的动作电位。

热点

除了磁力计，各种研究人员还使用了NV^{- - - - - -}在非常棘手的情况下进行精确详细的测温。2013年，由Lukin和Park领导的哈佛大学研究人员将植入NV的金纳米颗粒和纳米钻石内化^{- - - - - -}中心进入活细胞。¹¹通过激光加热纳米金颗粒，监测NV的温度^{- - - - - -}研究人员以毫开尔文精度控制和测量单个细胞内的温度梯度，在约7μm的距离上产生5K的温差。研究人员表示，未来，这种技术可以用于杀死癌细胞而不损害健康组织，并监测甚至控制基因表达等代谢过程。2016年3月，纽约城市学院的研究人员由物理学家领导卡洛斯·梅林生物医学工程师泗洪县王他和Wrachtrup一起使用nv植入的纳米钻石来识别健康细胞和癌细胞的温度分布之间的差异。¹²

“现在和相对短期内，我认为磁力计将形成大多数应用，”Walsworth预测。不过，他也指出，“有几十个研究小组在各种各样的事情上都使用NVs作为传感器。你可以坐在那里，每天都能看到几篇新论文。现在我把它描述为一种平台技术，人们可以在许多不同的领域使用。”