One- and two-dimensional nuclear magnetic resonance spectroscopy with a diamond quantum sensor
我们报告的傅立叶光谱实验进行了近表面的氮空位中心的金刚石芯片。通过检测核自旋的自由旋进,而不是应用多脉冲量子传感协议,我们能够明确地识别没有谐波的NMR种类。我们进一步表明,通过工程不同的哈密顿在自由进动,超精细耦合参数以及核拉莫尔频率可以选择性地测量高精度(这里5位数)。这些协议可以结合起来演示二维傅立叶光谱。该技术将有助于绘制分子中的核坐标,从而对其原子结构进行成像。
2015-12-10 quant-ph
Structural analysis of nuclear spin clusters via two-dimensional nanoscale nuclear magnetic resonance spectroscopy
二维核磁共振(NMR)在分子结构测定中是必不可少的。金刚石中的氮空位(NV)心被认为是实现纳米尺度核磁共振的一种优秀的量子传感器。在这项工作中,我们开发了一个计划的基础上的NV中心的量子控制的二维纳米级NMR光谱。我们对金刚石中两个耦合的$^{13}$ C核自旋的靶进行了原理验证实验。该方法利用类COSY序列进行时域数据采集,然后利用快速傅立叶变换(FFT)将数据转换到频域。利用二维核磁共振谱,可以分辨出核自旋集合的结构和位置。这项工作标志着解决单个分子结构的基本步骤。
2019-06-10 quant-ph
Robust and digital hyper-polarization protocol of nuclear spins via magic sequential sequence
针对室温下核自旋极化度低的问题,本研究提出基于魔幻序列的序贯核自旋超极化方案,在有限半π脉冲下鲁棒性优于PulsePol方法,适配大旋磁比核自旋与高场高效读出技术,且可推广至其他固态量子系统。
2025-05-17 quant-ph
Quadrupolar resonance spectroscopy of individual nuclei using a room-temperature quantum sensor
本研究利用金刚石中的NV中心量子传感器,在室温下实现了单个$^{14}$N原子核的NQR光谱分析,分辨出核间微小差异,发现新的哈密顿量项,并设计脉冲序列实现核态量子操控。
2025-01-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Ultralow-field Nuclear Magnetic Resonance Asymmetric Spectroscopy
超低场核磁共振(NMR)为从材料科学到基础物理学的许多应用提供了新的机制。然而,实验观察到的光谱显示出不对称的振幅,与标准理论预测的有很大的不同。它的物理起源以及如何抑制它仍然不清楚。在这里,我们提供了一个全面的模型来解释不对称光谱振幅,进一步观察到更多前所未有的不对称光谱,并找到一种方法来消除它。此外,与传统的不对称现象被认为是一种讨厌的想法相反,我们表明可以从不对称光谱中获得更多的信息,例如,原子蒸气的光移和核磁共振系统的$\acute{\textrm{e}}$ $g$因子的符号。
2019-02-21 quant-ph
Hyperfine spectroscopy and fast, all-optical arbitrary state initialization and readout of a single, ten-level ${}^{73}$Ge vacancy nuclear spin qudit in diamond
本研究实现了对金刚石中单个十能级 ${}^73$Ge 空位核自旋 qudit 的超精细结构观测、核自旋读出,并在微秒尺度上以高达约 84% 的保真度实现了任意态的光控初始化,
2024-02-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
$^{229}$Th Nuclear Spectroscopy in an Opaque Material: Laser-Based Conversion Electron Mössbauer Spectroscopy of $^{229}$ThO$_2$
University of California, Los Angeles(加州大学洛杉矶分校);University of Manchester(曼彻斯特大学);University of Nevada, Reno(内华达大学雷诺分校);Los Alamos National Laboratory(洛斯阿拉莫斯国家实验室);Eckert & Ziegler Analytics, Inc.(埃克特&齐格勒分析公司);Johannes Gutenberg-Universität Mainz(美因茨约翰内斯古腾堡大学);Ludwig-Maximilians-Universität München(慕尼黑路德维希-马克西米利安大学)
本文提出利用激光诱导转换电子莫塞塞利谱学研究$^{229}$Th核异态态,通过内部转换衰变实现对不透明材料中核跃迁的探测,显著提升核钟稳定性。
2025-06-03 nucl-ex physics.atom-ph physics.optics
Nanoscale NMR Spectroscopy and Imaging of Multiple Nuclear Species
核磁共振(NMR)和磁共振成像(MRI)是成熟的技术,可在不同的学科中提供有价值的信息,但目前仅限于宏观样品体积。在这里,我们展示了纳米级NMR光谱和成像环境条件下的样品含有多个核物种,使用氮空位(NV)的颜色中心作为传感器的钻石。与单一的,浅NV中心的金刚石芯片和样品放置在金刚石表面上,我们进行NMR光谱和一维MRI的几个纳米大小的样品含有$^1$ H和$^{19}$ F核。或者,我们采用高密度的NV层附近的金刚石芯片的表面,以证明宽场光学NMR光谱的纳米级样品含有$^1$ H,$^{19}$ F,和$^{31}$ P核,以及多物种的二维光学MRI与亚微米分辨率。对于暴露于空气中的所有金刚石样品,我们确定了一个无处不在的$^1$ H NMR信号,与金刚石表面上和置于金刚石上的任何样品下方的吸附烃或水的$\sim 1$ nm层一致。这项工作为纳米级NMR和MRI应用奠定了基础,例如单蛋白质的研究和亚细胞分辨率的功能生物成像,以及亚纳米分辨率的薄膜的表征。
2014-06-12 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Hyperpolarized relaxometry based nuclear T1 noise spectroscopy in hybrid diamond quantum registers
理解混合量子系统中自旋寿命的起源在量子信息和传感的几个领域中是当前重要的问题。光谱映射自旋弛豫过程的方法提供了对其起源的深入了解,并可以激励减轻它们的方法。在本文中,使用超极化和精确的场循环在一个广泛的范围(1 mT-7 T)的组合,我们映射的频率依赖的弛豫在一个典型的混合系统的13 C核自旋在金刚石耦合到氮空位中心。通过光学泵浦NV电子的核超极化允许测量的信号时间节省超过常规方法的百万倍。我们观察到,13 C寿命显示出戏剧性的字段依赖性,增长迅速,字段高达100 mT和饱和之后。通过一个系统的研究,随着替代电子(P1中心)浓度以及13 C富集水平的增加,我们确定了操作弛豫通道的核在不同的领域制度。特别是,我们证明了13 C原子核耦合到相互作用的P1电子自旋浴所发挥的主导作用。这些结果为耗散工程的量子控制技术铺平了道路,以提高金刚石的自旋寿命,其应用范围从工程量子存储器到超极化13 C成像。
2019-02-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Entanglement generation via a completely mixed nuclear spin bath
我们发现,量子比特通过海森堡相互作用顺序耦合到一个介观静态完全混合的自旋浴可以成为高度纠缠。简单的协议产生的多体纠缠(Greenberger-Horne-Zeilinger-)状态。我们展示了通过电子与核自旋的超精细相互作用在量子点中实验实现的可行性。
2008-09-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherent control of solid state nuclear spin nano-ensembles
探测和控制核自旋纳米系综对于核磁共振(NMR)光谱学的进一步发展和新兴的固态量子技术至关重要。在这里,我们提出了一个$\approx$ 1纳米厚的金刚石层的制造组成的$^{13}$ C核自旋掺杂的氮空位中心(NV)嵌入在一个无自旋的$^{12}$ C晶体基质。该层附近的单个NV用于$^{13}$ C自旋的极化和其磁化的读出。我们展示了一种方法,通过使用射频脉冲的相干控制的几十个核自旋,并显示基本的相干控制实验-拉比振荡,拉姆齐光谱和哈恩回波,但任何NMR脉冲序列可以实现。所示的结果提出了实现基于核自旋的量子模拟器的第一步。
2018-02-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Two-Dimensional Single- and Multiple-Quantum Correlation Spectroscopy in Zero-Field Nuclear Magnetic Resonance
我们提出了单量子和多量子相关$J$ -光谱检测零($<\!\!1$ ~ $μ$ G)磁场使用\Rb蒸汽细胞磁强计。在零场,乙醇的光谱表现为\carbon同位素异构体的混合物,并且相关光谱在分离两个复合光谱中是有用的。我们还确定和观察到的双量子跃迁在${}^{13}$ C $_2$ -乙酸的零场等效,并表明,这样的过渡是使用光谱分配。二维光谱进一步提高了零场NMR中获得的高分辨率,因为相干转移路径上的选择规则允许将否则重叠的共振分离成不同的交叉峰。
2020-04-09 physics.chem-ph quant-ph
Dynamical decoupling design for identifying weakly coupled nuclear spins in a bath
识别单电子自旋周围的弱耦合核自旋是利用耦合电子-核自旋系统实现量子信息处理或利用金刚石缺陷自旋进行单自旋核磁共振探测等传感的关键步骤。利用周期性脉冲序列对中心电子自旋的动态解耦控制[例如,Carre-Purcell-Meiboom-Gill(CPMG)序列]已成功地用于识别单个核自旋和解析核自旋团簇的结构。在这里,我们设计了一种新型的脉冲序列,通过用一组非均匀间隔的$π$ -脉冲替换CPMG序列的重复单元(单个$π$-脉冲)。利用金刚石中的氮空位中心系统,我们表明,设计的脉冲序列提高了核自旋噪声谱的分辨率,并提取了更多的关于周围核自旋的信息。本文提出的动态解耦设计原理在许多系统中是有用的(例如,固体中的缺陷自旋量子位、俘获离子和超导量子位)用于高分辨率噪声光谱。
2014-02-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nuclear magnetic resonance spectroscopy with a superconducting flux qubit
从理论上分析了超导磁通量子比特(FQ)的核磁共振(NMR)谱性能。这种具有FQ的NMR是有吸引力的,因为可以在低温($\sim$ mK)和低磁场($\sim$ mT)的局部区域($\simμ$ m)中检测相对少量的核自旋,其中其他类型的量子传感方案不能容易地访问。含有核自旋的样品直接附着在FQ上,并且FQ用作磁力计以检测来自核自旋的磁场。特别地,我们考虑了两种类型的方法与FQ的NMR。其中之一是利用空间非均匀的核自旋激发,这是由空间非对称的射频~(RF)脉冲驱动引起的。这种不均匀性导致穿过FQ的环路的DC磁通量的变化,这可以通过对FQ的标准Ramsey测量来检测。另一种方法是在FQ上使用动态解耦来测量由核自旋的拉莫尔进动引起的交流磁场。在这种情况下,既不需要自旋激发也不需要自旋极化,因为信号来自核自旋的波动磁场。利用实验上可行的参数计算了FQ的最小可探测核自旋密度(数)。我们表明,这些方法的最小可检测密度(数)的核自旋是约$10^{21}$ /cm $^3$($10^8$)的积累时间为一秒。
2019-06-18 quant-ph
Quantum Computation Based on Magic-Angle-Spinning Solid State Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
魔角自旋(MAS)固体核磁共振(NMR)光谱是一种很有前途的实现量子计算的技术。在形式化的量子Floquet理论的框架下,阐述了基于MAS的核自旋系统的量子计算的基本原理。给出了在Floquet空间中实现状态标记、状态变换和相干选择的步骤。它表明,通过这种方法,最大数量的量子比特可以很容易地超过其他技术所能达到的数量。与其他为量子计算提出的模式不同,这种方法使人们能够调整工作状态空间的维度,这意味着量子比特的数量可以很容易地改变。讨论了固体核磁共振在Floquet空间中量子计算的普适性,并给出了Grover搜索的一个演示性实验实现。
2001-10-02 quant-ph
Antisymmetric Couplings Enable Direct Observation of Chirality in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
在这里,我们证明了一个长期的核自旋哈密顿量,反对称\textit{J}耦合,从根本上连接到分子的手征性。我们提出并模拟了一个核磁共振(NMR)实验来观察这种相互作用,并区分对映异构体,而无需添加任何额外的手性试剂的样品。在存在分子取向的情况下,可以通过外部电场观察到反对称的\textit{J}耦合。反对称耦合张量和分子电偶极矩的相反宇称产生对映体之间观察到的耦合的符号变化。我们展示了这种符号变化如何影响NMR光谱的相位,并可用于区分对映异构体。
2016-09-01 physics.chem-ph quant-ph
Symmetries in nuclear, atomic and molecular spectroscopy
本文件讨论以下三个问题。(i)基团和基团链的结构是如何进入核、原子和分子光谱学的?(ii)在量子力学的框架下,如何利用这些结构来解决状态标记和(外部)对称性破缺的问题?(iii)如何将维格纳-拉卡代数与一个群或群链联系起来,使量子力学矩阵元的计算变得更容易?大量的例子说明了定性和定量应用于光谱学的哲学。
1997-11-08 cond-mat math-ph math.MP
Quantum Memory Enhanced Multipoint Correlation Spectroscopy for Statistically Polarized NMR
Ulm University(乌尔姆大学);NVision Imaging Technologies GmbH(NVision成像技术有限公司)
本研究提出一种结合相关光谱和量子异频检测的多点相关光谱法,用于提高统计极化纳米尺度核磁共振的灵敏度和测量效率。
2025-12-17 quant-ph
Concatenated Composite Pulses Applied to Liquid-State Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
在核磁共振(NMR)中广泛应用的复合脉冲的基础上,发展了一种具有高精度的量子信息处理(QIP)幺正运算,即连续复合脉冲(CCCPs)。CCCP同时补偿两种类型的系统误差,这对于NMR中的已知复合脉冲是不可能的。我们的实验表明,CCCP不仅在QIP中,而且在NMR中是强大的和通用的工具。
2020-01-09 cond-mat.other physics.chem-ph physics.ins-det
Electron-Nuclear Interactions as a Test of Crystal-Field Parameters for Low Symmetry Systems: Zeeman-Hyperfine Spectroscopy of Ho$^{3+}$ Doped Y$_2$SiO$_5$
本文报道了Ho $^{3+}$:Y $_2$ SiO $_5$中电子-核超精细能级${^5\mathrm{I}_8}\rightarrow{^5\mathrm{I}_7}$跃迁的高分辨塞曼光谱。确定的晶体场参数的两个$C_1$对称性网站在Er $^{3+}$:Y $_2$ SiO $_5$成功地用于模拟塞曼超精细数据,包括预测避免超精细水平之间的交叉下的外部磁场的影响。这两个六位和七位取代位点可以通过比较光谱与晶体场计算来区分。
2021-03-27 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph quant-ph
Solution nuclear magnetic resonance spectroscopy on a nanostructured diamond chip
我们证明了核磁共振(NMR)光谱的皮升体积的解决方案与纳米结构的金刚石芯片。使用光学干涉光刻技术,金刚石表面被纳米结构化,具有致密、高纵横比的纳米光栅,使芯片的表面积在mm^2区域内增加了15倍以上。纳米光栅的侧壁掺杂有氮空位(NV)中心,使得在一个(25微米)^2激光光斑中有超过1000万个NV中心位于足够靠近金刚石表面(5 nm)的位置,以检测位于相邻纳米光栅凹槽内的1 pL流体的NMR光谱。该平台用于在室温下在低于50 mT的磁场中进行1H和19 F NMR光谱。使用CsF的甘油溶液,我们证明了在1 pL体积中可以检测到4 +/- 2 x 10^12 19 F自旋,其信噪比为1 s积分中的3。这代表了浓度灵敏度比以前的NV和皮升NMR研究提高了近两个数量级。
2017-01-05 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph physics.ins-det
Extreme nuclear magnetic resonance: zero field, single spins, dark matter...
液态核磁共振(NMR)的磁场强度非常低,以至于$J$ -耦合(分子内自旋-自旋)相互作用主导自旋哈密顿量,这种不寻常的状态为光谱学、量子控制和基础物理实验(包括寻找动机良好的暗物质候选者)的应用开辟了一个新的范例。一个有趣的可能性是将这种“极端NMR”与另一种-用单自旋量子传感器检测到的单核自旋结合在一起。这将使单分子$J$光谱学成为可能。
2019-05-21 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.atom-ph
Cavity-enhanced spectroscopy of individual nuclear spins in a dense bath
本文提出将发射器集成至高精细度谐振腔以消除光谱分辨率与信号间的浓度权衡限制,在Er:YSO中实现前所未有的分辨率,精确测量四个Y核自旋超精细相互作用,并扩展至单掺杂剂水平以研究单个核自旋。
2025-05-02 cond-mat.other quant-ph
First high-resolution spectroscopy of 201Hg+ hyperfine structure: a sensitive probe of nuclear structure and the hyperfine anomaly
利用原子钟线性四极射频离子阱中的201 Hg+,首次报道了201 Hg+超精细结构的高分辨光谱。我们测得的绝对基态超精细间隔为29.954365821130(171)(62)(10)GHz,比以前的测量提高了8个数量级。括号中的第一个误差估计是偏移线中心测量的统计误差,第二个是系统不确定度,第三个是氢脉泽参考标准的校准不确定度。通过与已知的199 Hg+基态超精细间隔的比较,我们能够推导出一个新的单电离态汞超精细异常值,δ(S ~(1/2),199 Hg+,201 Hg+)= -0.0016257(5),现在受到核磁矩比知识的限制。
2009-04-15 physics.atom-ph quant-ph
Robust control of entanglement in a Nitrogen-vacancy centre coupled to a Carbon-13 nuclear spin in diamond
我们解决了一个问题,产生一个强大的纠缠门之间的电子和核自旋在一个单一的氮真空中心耦合到一个最近的碳-13原子在金刚石对某些类型的系统误差,如脉冲长度和非共振误差的系统。我们分析了各种控制方案的鲁棒性:顺序脉冲,复合脉冲和数值优化脉冲。我们发现,由梯度上升脉冲工程算法(GRAPE)产生的数值优化脉冲比复合脉冲和顺序脉冲更鲁棒。优化脉冲也可以在比复合脉冲更快的时间内实现。
2009-03-23 quant-ph
Proposal for Quantum Sensing Based on Two-Dimensional Dynamical Decoupling: NMR Correlation Spectroscopy of Single Molecules
核磁共振(NMR)具有巨大的应用。二维核磁共振是表征原子核和分子结构之间相关性的基本技术。为了实现单分子核磁共振的最终目标,动态去耦合(DD)增强金刚石量子传感使单核自旋和纳米级核磁共振的检测成为可能。然而,在基于DD的量子传感中仍然缺乏标准方法来表征单个分子中核自旋之间的相关性。在这里,我们提出了一种基于二维DD的量子传感方案,作为一种通用的单分子相关光谱方法。我们设计了由两组不同周期的周期DD序列组成的二维DD序列,它们可以独立设置以匹配两个不同的共振DD跃迁频率。我们发现,在共振DD条件下,传感器相干斑图作为两个独立的DD双光子脉冲数的函数,可以完全确定核自旋跃迁之间不同类型的关联。这项工作提供了一个系统的方法,相关光谱的单分子NMR。
2016-11-24 quant-ph
Measuring nuclear spin qubits by qudit-enhanced spectroscopy in Silicon Carbide
本研究以4H-SiC中V2色心的电子自旋3/2 qudit为传感器,识别多组核自旋并提取耦合参数,实现98±6%的高核自旋极化及单自旋相干操控,为SiC量子平台应用提供参数支撑。
2023-10-24 physics.atom-ph quant-ph
Zero field magnetic resonance spectroscopy based on Nitrogen-vacancy centers
提出基于氮-空位(NV)中心利用圆偏振微波场选择性寻址自旋态的零磁场磁共振波谱方案,应用于单分子波谱,扩展了NV中心在零磁场环境下的纳米尺度分子波谱应用。
2023-04-05 quant-ph
High-Resolution NMR Spectroscopy at Large Fields with Nitrogen Vacancy Centers
本研究提出一种利用氮空位(NV)中心在高磁场下实现高分辨率NMR光谱的方法,通过将能量偏移映射到核自旋信号振幅并交替自由进动期,克服了NV传感器与高频核信号耦合的难题。
2023-04-03 quant-ph
Nuclear magnetic resonance spectroscopy: An experimentally accessible paradigm for quantum computing
我们目前的实验结果表明,核磁共振光谱是能够有效地模拟量子计算机的许多能力,包括幺正演化和相干叠加,但没有随之而来的波函数崩溃。具体而言,我们有:(1)用Pound-Overhauser双共振和自旋相干双共振脉冲序列两种不同的方法实现了量子异或门,(2)证明了Pound-Overhauser异或门的平方根对应于一个条件旋转,从而得到了一个普适的门集合;(3)设计了Toffoli门的自旋相干实现方案,并证实了它能实现四自旋系统的平衡态的转换;(4)在NMR中使用标准梯度脉冲技术来均衡双自旋系统中除一个之外的所有布居,从而获得对应于|00>;(5)验证了通过将其变换为单自旋叠加态,可以识别出哪一个基本赝纯态存在;(6)将自旋相干异或门应用于单自旋叠加态,产生纠缠态,并通过梯度回波方法检测相关的双量子相干性来证实其存在。
1997-10-08 quant-ph
Hyperpolarization-enhanced NMR spectroscopy with femtomole sensitivity using quantum defects in diamond
核磁共振(NMR)光谱是化学分析和分子结构鉴定的广泛使用的工具。因为它通常依赖于由小的热核自旋极化产生的弱磁场,NMR与其他分析技术相比具有较差的分子数灵敏度。最近,一类新的NMR传感器的基础上,光学探测的氮空位(NV)在金刚石量子缺陷允许分子光谱从样品体积几个数量级小于最敏感的电感检测器。然而,迄今为止,NV-核磁共振仪只能观察到来自纯的、高浓度样品的信号。为了克服这一限制,我们引入了一种技术,结合皮升级NV-NMR与完全集成的奥弗豪泽动态核极化(DNP)进行高分辨率光谱的各种小分子在稀溶液中,与毫微微摩尔的灵敏度。我们的技术推进了药物和天然产物发现,催化研究和单细胞研究的质量限制NMR光谱学。
2018-10-04 physics.app-ph quant-ph
Cavity-Magnon-Polariton spectroscopy of strongly hybridized electro-nuclear spin excitations in LiHoF4
本文建立无半经典近似的腔-磁振子-极化激元输入-输出与线性响应理论,利用|S11|提取LiHoF4电子-核自旋态信息并重现跨量子临界点实验。
2024-10-25 cond-mat.str-el quant-ph
Wide-band, nanoscale magnetic resonance spectroscopy using quantum relaxation of a single spin in diamond
我们展示了一个宽带全光学方法的纳米磁共振(MR)光谱在环境条件下。我们的方法依赖于探针自旋,金刚石中氮空位中心的电子自旋和目标自旋之间的交叉弛豫,因为这两个系统被调谐到共振。通过在改变所施加的静磁场的振幅的同时光学地监测探针自旋的自旋弛豫时间($T_1$),获得目标自旋共振的频谱,即$T_1$ -MR谱。作为概念的证明,我们测量了金刚石内探针自旋周围的小的$^{14}$ N杂质系综的$T_1$-MR谱,其中每个杂质包括电子自旋1/2和核自旋1。固有的大带宽的技术和探针性能使我们能够检测电子自旋跃迁-在GHz范围内-和核自旋跃迁-在MHz范围内-的$^{14}$ N自旋目标。测得的频率被发现是在极好的协议与理论预期,并允许我们推断超精细,四极和旋磁常数的目标自旋。在$T_1$ -MR光谱中获得的共振强度的分析表明,电子自旋跃迁探测通过偶极相互作用,而核自旋共振显着增强超精细耦合和电子介导的过程。最后,我们从理论上研究了在没有超精细相互作用的情况下对核自旋进行$T_1$ -MR波谱的可能性,并预测了使用当前技术的单质子灵敏度。这项工作建立了$T_1$ -MR作为一个简单而强大的纳米级MR光谱技术,宽带能力和预测的灵敏度下降到单核自旋水平。
2016-04-01 quant-ph
Chemically resolved nuclear magnetic resonance spectroscopy by longitudinal magnetization detection with a diamond magnetometer
本研究提出Ramsey-M_z协议,利用金刚石磁力计检测纵向磁化,在0.32T下实现约350ppb化学位移分辨,验证了其在亚纳升级NMR检测中的高分辨率潜力。
2025-03-04 physics.app-ph physics.chem-ph physics.ins-det