Um método de detecção de ressonância paramagnética de alta resolução baseado no sensor quântico de centro de cor de vacância de nitrogênio (NV) do diamante foi proposto e implementado experimentalmente em um estudo conduzido pelo acadêmico DU Jiangfeng do Laboratório de Ressonância Magnética em Microescala da Universidade de Ciência e Tecnologia de China (USTC) da Academia Chinesa de Ciências (CAS).

Os pesquisadores obtiveram o espectro de ressonância paramagnética de spin único com resolução espectral kilohertz (kHz). O estudo foi publicado em Avanços da Ciência .

Uma grande tendência de desenvolvimento da espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica é obter informações tão precisas quanto possível do menor número de amostras possível, o que requer o aprimoramento da resolução espacial e da resolução espectral. Nas décadas recentes, a resolução espacial foi melhorada consideravelmente, e a detecção de ressonância paramagnética de spin único chegou até mesmo à nanoescala devido ao surgimento de novas tecnologias de detecção. Contudo, a resolução espectral permanece na escala megahertz (MHz) por causa do ruído externo incontrolável. Portanto, um novo método deve ser encontrado para romper a limitação atual da resolução espectral causada pelo ruído.

Uma maneira mais direta e eficaz é tornar o spin medido naturalmente insensível ao ruído externo. Um certo tipo de estado de spin pode resistir à perturbação do ruído do campo magnético externo, e as linhas espectrais geradas pelo elétron ao transitar entre esses estados de spin serão estreitadas. Foi relatado que este fenômeno também existe para um tipo de material paramagnético sob campo magnético zero em pesquisas anteriores. Contudo, a sensibilidade de detecção da tecnologia de ressonância paramagnética tradicional está relacionada à magnitude do campo magnético, e a eficiência de detecção em campo zero é extremamente baixa, o que limita a aplicação prática.

Portanto, os pesquisadores usaram sensor quântico de centro de cor NV em diamante para detectar ressonância paramagnética. Trabalhos anteriores provaram que o centro de cores NV ainda possui sensibilidade de detecção de nível de rotação única, mesmo em campo zero.

A fim de observar o estreitamento das linhas espectrais e realizar a detecção de espectroscopia de alta resolução, também é necessário eliminar o alargamento da linha espectral causado pelo próprio sensor NV. Inspirado pela detecção de correlação em ressonância magnética nuclear (NMR), A equipe de DU projetou uma sequência de correlação de ressonância paramagnética adequada para campo zero, que suprimiu bastante o alargamento intrínseco dos sensores NV.

Usando este novo método, eles detectaram com sucesso a transição de estreitamento do spin do elétron de um único átomo de nitrogênio no diamante em seu experimento. Comparado com o método tradicional, a resolução espectral foi melhorada consideravelmente em 27 vezes, atingindo 8,6 kHz.

Os resultados experimentais mostraram que a tecnologia de ressonância paramagnética baseada em sensor quântico NV pode atingir alta resolução espacial e alta resolução espectral. Ao mesmo tempo, este método não é limitado por condições ambientais adversas (como vácuo ou baixa temperatura), que é muito competitivo em aplicações biológicas. Informações mais detalhadas da estrutura, mudanças dinâmicas e características ambientais locais de uma única molécula podem ser analisadas.