固态核振谱仪

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队在二维范德瓦尔斯材料固态自旋色心领域取得重要进展。该团队李传锋、唐建顺研究组与匈牙利魏格纳物理研究中心教授AdamGali等合作，实验研究并理论解释了六方氮化硼（hexagonalboronnitride，hBN）中带负电硼空位（VB-）色心受磁场调制的自旋相干动力学行为，揭示了hBN中VB-色心电子自旋与核自旋之间的相干耦合和弛豫机制，这对发展基于二维范德瓦尔斯材料的相干自旋系统及低维量子器件具有重要意义。9月29日，相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。 近年来，研究发现，宽禁带范德瓦尔斯材料hBN是室温自旋色心的优秀宿主。范德瓦尔斯材料通过简单的机械剥离便可制备为原子厚度的二维结构，且可与多种微纳结构相耦合，在低维量子器件制备和近场传感探测等方面比三维体材料具有天然优势，因而hBN中的自旋色心成为固态自旋色心领域的研究热点。目前，研究最广泛的hBN自旋色心为VB-色心，且集中于VB-的电子自旋，而对VB-电子自旋周围的核自旋缺乏深入研究及观测。由于色心周围的核自旋是固态自旋维度扩展的主要途径之一，且是造成固态自旋弛豫的主要因素。因此，VB-色心的电子自旋与周围核自旋耦合形成的多自旋体系的相干动力学研究，对推动基于范德瓦尔斯材料的固态量子自旋技术至关重要。本工作中，研究组使用中子辐照技术在hBN中制备出高浓度的VB-色心样品，并利用ODMR（optical probing magnetic resonance）技术探测VB-自旋能级结构，观测到VB-色心中电子自旋与3个最近邻14N核自旋相互作用产生的超精细劈裂以及14N核自旋偏振随磁场增强的极化现象。同时，研究组对VB-进行多项室温相干操控和探测，包括Rabi振荡、自旋回波、Ramsey干涉探测等。探测结果表明，VB-自旋受到明显的核自旋相干调制，且核自旋调制效应会随磁场增加而变强。为进一步揭示相关现象的内在动力学机制，研究组理论构建了VB-电子与最近邻14N核自旋组成的4自旋系统，并对该4自旋系统的多种动力学性质进行无参数（parameterfree）的理论模拟。结合实验与模拟结果，研究组发现VB-色心中存在较强的电子与核自旋相互作用，同时最近邻14N核自旋极化也受到显著的驱动微波动态调制。此外，研究组还在理论模拟中引入了包含127个14N和11B的多体核自旋环境，并模拟了与之相互作用的开放4自旋VB-系统的动力学行为。通过对照实验和理论结果，研究组发现11B核自旋环境主导了VB-色心的自旋弛豫，而磁场能够减弱核自旋环境的弛豫效应并增强VB-电子与最近邻14N的相干耦合。（a）VB-色心的原子结构示意图；（b）VB-色心的电子自旋能级结构；（c）不同磁场下VB-色心的ODMR信号；（d）不同磁场下VB-色心的Rabi振荡信号。该研究从实验和理论上揭示了VB-色心中存在显著的电子和最近邻14N核自旋相干耦合，以及多体11B核自旋环境导致的VB-色心自旋弛豫。该工作为将VB-相干操控自旋拓展至核自旋以及发展相关低维固态量子系统奠定了基础。研究工作得到科技部、国家自然科学基金、中科院和合肥国家实验室等的支持。

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、石发展等人在固态体系中开展了首个类原子缺陷全同性检验的工作，频率检验精度达赫兹级，基于这一结果提出了新型固态原子钟方案。该成果日前发表在《物理评论快报》上。(中国科大供图)精密测量是人类深化认知自然界的重要手段，如原子钟和引力波探测等领域都以精密测量为基础，而粒子的全同性是开展高精度测量的前提。但是，对于固体中的类原子缺陷，由于固态晶格的复杂性，目前尚未对固体中的类原子缺陷进行过高精度的全同性检验。近十年来，金刚石中的一种类原子缺陷——氮-空位色心得到了广泛关注。这种缺陷具有很多优良的性质，基于这些优势，氮-空位色心已经在量子精密测量和量子计算等领域被广泛应用。在室温大气条件下，研究组对氮-空位色心的全同性进行了赫兹级水平的检验，通过采用拉姆齐干涉法对该系统的哈密顿量进行了测量，在赫兹级水平上对不同色心进行了比较。其中，对氮核自旋的电四极矩耦合的测量最为精确，测量值的精度比以往实验提高了四个数量级。实验惊奇地发现，即使在室温大气条件下，不同的色心仍能在赫兹水平上表现为全同，而不均匀的晶格应力可使色心产生数十赫兹的差异。基于以上全同性检验的结果，研究组提出了一种具有高鲁棒性和集成性特点的固态原子钟的新方案。相较于现有商用原子钟，该固态原子钟具有高鲁棒性和易于集成的特点，更适合在低温、高压、移动平台等具有挑战性的复杂环境下工作。该成果提供了一种在固态自旋中开展精密测量的方法，加深了对固态类原子缺陷的认识。未来，测量精度可在低温下进一步提升至毫赫兹水平。在应用层面上，该工作提出了一类具有高鲁棒性和集成性特点的固态原子钟，相关成果已申请专利。

仪器信息网讯，2009年11月27日下午，由中国计量科学院和清华大学、中国地质大学等单位研制的便携式质谱和全固态ICP光源新仪器发布会于BCEIA2009期间在北京展览馆A会议室成功召开，近100位相关部门领导、专家学者、仪器厂商代表和媒体记者参加了此次发布会。发布会由清华大学张新荣教授主持。清华大学张新荣教授便携式质谱　　目前，质谱仪已经成为许多领域的必备分析仪器之一，在制药、生命科学、环境监测、食品安全、航天和军事技术等诸多热点领域发挥着越来越重要的作用。目前质谱仪大多体积庞大、价格昂贵且维护费用高，大范围推广使用有一定困难，特别是在制药和生物学领域。 　　由中国计量科学院和清华大学等单位共同研制开发的便携式质谱，小巧轻便，没有过多的耗材，可以在运动环境或恶劣气候环境下工作，不需外接电源，不需过多前处理，气、液、固态样品均可引入分析。此外，便携式质谱还可对未知样品进行鉴定和分析，实现快速痕量检测，能达到ppb级别的灵敏度。目前，便携式质谱已应用于环境样品分析、香精香料分析、农药残留和食品安全分析等领域，还可应用于突发事件、军事航天、有机物药物和有机毒物、公共安全等现场分析领域。全固态ICP光源　　目前ICP光源所用的射频电源正向全固态化、高稳定度、智能控制方向发展，提高ICP光源所用的射频光源的频率稳定度和功率稳定度、智能控制、轻便体积一直是ICP光源研制努力的方向。 　　由中国计量科学研究院和中国地质大学(武汉)共同开发的数字式高效全固态ICP光源为全数字化设计，其状态参数均可通过计算机采集、设置和控制 具有较高的工作效率、频率稳定性和功率稳定性 光源系统具有故障诊断功能、自动阻抗匹配功能和自动保护功能。目前该成果已申请1项发明专利和2项实用新型专利。中国计量科学院黄泽健教授　　中国计量科学院的黄泽健教授向大家介绍了便携式质谱的性能参数及构造特点。清华大学分析中心林子青先生　　清华大学分析中心的林子青先生重点介绍了低温等离子体离子源与便携式质谱仪联用的优势，以及常压便携式低温等离子体质谱仪的分析测试特性。中国地质大学(武汉)机械与电子学院金星教授　　中国地质大学（武汉）机械与电子学院的金星教授首先介绍了目前国内外ICP光源的研究现状，随后重点介绍了数字式高效全固态ICP光源的组成、设计思想、特点及相关研究结果。中国科学院大连化学物理研究所的张玉奎院士　　中国科学院大连化学物理研究所的张玉奎院士表示：便携式质谱及全固态ICP光源的成功研发，表明我国在分析仪器科学技术自主创新方面已经取得了重大进展，成果的发布代表科学仪器研制项目的成功，但通向产业化的道路仍很漫长，希望在领导和相关部门的支持下，更快实现产业化。中国科技部财条司郑健博士　　中国科技部财条司郑健博士首先代表科技部条财司吴学梯副司长向研发便携式质谱及全固态ICP光源的成功研发表示祝贺，之后郑健博士谈到：在有关领导和专家的支持与关注下，中国科学仪器硕果累累，自主创新能力已经达到一定高度，为“十二五”推动科学仪器自主创新奠定了基础。国家质量监督检验检疫总局姚泽华副处长　　国家质量监督检验检疫总局姚泽华副处长谈到：国家质量监督检验检疫总局非常关注科学仪器国产化、专用仪器的开发及方法的研究。他非常高兴地看到目前国产仪器取得的成就，希望在相关部门领导的关怀下，研发单位和相关企业一起努力，共同推进国产科学仪器的产业化进程。清华大学精仪系分析主任王晓浩教授　　清华大学精仪系分析主任王晓浩教授首先代表金国藩院士感谢科技部等相关部门多年来的支持，并希望便携式质谱仪在技术上能有所突破，能够更快更早地进入市场，期待和中国计量科学院能在相关领域有更深入更广泛的合作。中国计量科学研究院化学所李红梅所长　　中国计量科学研究院化学所李红梅所长表示：在科技部、应用领域专家和其他企业的关注下，研发项目取得了阶段性的成功，并希望在今后产业化发展的道路上，能够得到更广泛的支持和鼓励。同时，李所长代表研发团队作出承诺：再接再砺，在分析仪器领域做出自己应有的贡献。国家标准化管理委员会副主任方向研究员　　国家标准化管理委员会副主任方向研究员发言：便携式质谱及全固态ICP光源是“十五”和“十一五”成果的延续。这些技术是属于国家的，也是属于大家的，选择在BCEIA2009这种技术氛围的环境下举行发布会，是希望业内同仁共同努力，将成果转换成产品，推进新成果的产业化进程。专家观看仪器现场演示发布会现场