中国科大在《现代物理评论》上发表单自旋量子精密测量综述论文

2024年5月8日，中邦科学本事大学中邦科学院微观磁共振要点尝试室杜江峰及其同事石繁荣，与南京大学孔熙、德邦乌尔姆大学Fedor Jelezko、德邦斯图加特大学Jörg Wrachtrup等，应邀正在囯际物理学巨子综述期刊《新颖物理评论》（Reviews of Modern Physics）上楬橥题为“基于金刚石量子传感器的单分子标准磁共振谱学”（Single-moleculescale magnetic resonance spectroscopy using quantum diamond sensors）的长篇综述论文。该论体裁例论说了基于金刚石氮-空地色心（NV色心）单自旋量子缜密丈量（量子传感）的单分子磁共振本事，涵盖单分子磁共振的外面道理、手法、研讨发达和异日本事繁荣偏向及利用周围。论文指出颠末该周围环球学者十余年的协同尽力，一经告竣室温大气条目下单分子纳米标准磁共振的打破，为告竣活体原位条目下的单分子磁共振及其正在生物医学的实质利用奠定根本。此论文为金刚石单自旋量子缜密丈量及单分子标准微观磁共振从根本研讨到本事繁荣及利用指明确偏向。

单分子科学和本事是物理、化学和生物等各学科的研讨前沿。分子中含有足够的自旋，且能够用自旋象征，是以自旋磁共振是研讨分子的主要机谋。磁共振本事正在获取物质的构成和机闭讯息方面，具有正确、火速和无伤害性的特殊上风。古板磁共振周围从根本道理到利用研讨先后被授予六次诺贝尔奖，磁共振谱学是机闭生物学解析分子机闭的主要机谋，磁共振成像也是最常用的临床影像诊断本事之一，获得了庞大的凯旋。然而受限于其探测体例，古板磁共振本事寻常须要毫米标准数以百亿计的大宗均一分子才干测得信号。若告竣单分子磁共振，其既能经受古板磁共振的上风，又能直接揭示因大宗分子均匀而抹除的单个分子的特殊讯息，是浩瀚周围期盼的革命性本事之一。单分子磁共振的本事打破需从探测道理上改变。近年来，基于量子力学道理的金刚石NV色心单自旋量子缜密丈量被提出，其或许告竣纳米级高空间离别率和亚纳特斯拉高精巧度的磁信号检测，比拟古板磁共振离别率晋升百万倍、分子数精巧度晋升百亿倍，是一项模范的推倒性新本事。以金刚石NV色心为代外的固态量子传感本事，无需真空低温等苛刻条目，可职业正在室温大气、心理溶液、原位等各式宽松境况中，直接观测单个分子的特点和举止，为正在分子标准明了性命经过及相干生物医学利用供给了新的途径。

二十余年来，中邦科学本事大学杜江峰院士指示的研讨团队永远聚焦自旋量子讯息物理学周围，静心自旋量子操控本事繁荣和仪器研制，并促进量子缜密丈量的交叉利用研讨。过去的十余年间，杜江峰院士、石繁荣教育等正在邦度自然科学基金委、科技部、中邦科学院等历久接济下聚焦单自旋量子缜密丈量本事繁荣和交叉研讨，获得体例性的研讨效果，正在邦际上率先告竣单分子磁共振，引颈了单分子磁共振谱学研讨周围的繁荣。代外性效果征求：测得寰宇首张单卵白质分子顺磁共振谱，开启单分子磁共振研讨新周围[Science347,1135 (2015)]；告竣纳米核磁共振谱学新手法，先后测得5纳米标准质子磁共振信号[Science 339, 561(2013)，邦际配合]和一对核自旋的彼此用意及原子级机闭解析[Nature Physics 10, 21(2014)]；将单分子磁共振境况条目从固体促进到溶液，初次告竣水溶液中单DNA分子磁共振谱的探测[Nature Methods15, 697 (2018)]；繁荣纳米金刚石量子传感本事，进而告竣原位溶液境况顺磁共振谱学探测 [Nature Communications 14,6278 (2023)]；繁荣了大量子传感器相干丈量本事[Nature Photonics 18, 230 (2024)]等。别的正在单分子磁共振谱学的生物医学交叉利用和高离别高精巧探测新手法等方面也做出了大宗体例性职业，单自旋测磁精巧度和纳米顺磁共振谱离别率目标均达邦际领先秤谌。上述职业与邦外里其他研讨团队效果沿途，协同胀励了单分子标准磁共振本事的打破和繁荣。这些本事的前进使得NV色心成为目前独一能正在室温大气条目下告竣单分子磁共振丈量的编制。跟着本事贫苦的慢慢处理，其将正在原位分子机闭和动力学、化学境况解析、自旋电子学、单细胞磁共振成像、精准医学检测等偏向获得打破性发达和普及利用，变成新一代微观磁共振本事新周围。方今，基于NV色心的超高精巧度和精准襟怀子传感，一经开首从尝试室境况走向实质利用周围，显露出伟大的利用代价和贸易潜力。

此次受邀撰写的《新颖物理评论》综述论文长达62页，杜江峰院士行动受邀人指示了该论文的构制和撰写，全文由杜江峰、石繁荣、孔熙编缉撰写，悉数作家协同修订。作品周密回想了单分子量子传感本事的繁荣史书和研讨发达，征求各样单分子标准磁共振手法本事先容、丈量精巧度的计较及退闭系等限定成分剖析、谱线离别率和空间离别率的主导成分和晋升手法、量子传感器的制备集成等。越发是作品结尾详尽深远剖析了各样手法的兼容性、单分子磁共振的本事上风和挑衅，并讲论预测了单分子磁共振本事的异日繁荣趋向和利用偏向，为异日有志于从事该偏向研讨的青年职员供给参考。

《新颖物理评论》是邦际物理学界出名综述性期刊，每年仅楬橥约四十篇学术论文。该期刊平常不承受自正在投稿，要紧是邀请正在各周围卓有筑树的物理学家执笔，旨正在对当今物理研讨的庞大热门题目做史书总结、道理论说、近况剖析和趋势预测。论文需颠末邦际同行的匿名评审方可楬橥。此论文是我邦量子缜密丈量科学周围正在该期刊楬橥的第一篇综述论文，标识着我邦正在单自旋量子缜密丈量及单分子磁共振周围处于邦际领先位子。