近日，普渡大学的科学家利用磁共振成像（MRI）技术激发二维超薄材料的原子级光谱，从而助力量子领域的研发工作。印第安纳州西拉斐特——用于损伤或疾病检测的（MRI）图像技术也为核磁共振（NMR）光谱分析提供了动力，核磁共振（NMR）光谱分析可用于分析生物分子，以开展研究疾病和治疗研究。尽管核磁共振光谱分析能够提供有关分子结构的宝贵数据，但其分辨率太低，以至于尚不足以感知单个原子。但是现在，普渡大学的量子研究人员正在推进一种方法，该方法有望将核磁共振光谱分析的分辨率提高到原子尺度，并且还可能在开发量子计算和量子通信方面得到应用。
“传统的核磁共振光谱分析仅限于测量大分子样本，而我们正在开发可以检测和分析单个分子的技术，“普渡大学科学学院物理与天文学教授、工程学院电气与计算机工程教授Tongcang Li 说。
在发表于《自然》杂志的研究中，Tongcang Li领导了一个团队将稀有的碳13同位素嵌入超薄六方氮化硼中，然后使用磁共振显微镜获得了有关他们所创造的材料结构的原子级信息。Tongcang Li还是普渡量子科学与工程研究所的成员，以及印第安纳州国家科学基金会产学研合作研究中心量子技术方向的主任。他们与威斯康星大学麦迪逊分校副教授兼理论家袁平合作，将信息与预测的化学结构进行了匹配。
磁共振成像（MRI）和核磁共振（NMR）光谱分析都利用某些原子核产生的磁场。例如，氢原子核内的单个质子会产生一个微小的磁场，该磁场会受到周围电子和邻近原子的影响。在MRI和NMR中，该原子核的磁场被用来反映其所处的环境。
在磁共振成像（MRI）中，强大的磁场使患者体内的氢原子核沿着南北极方向排列，就像普通家用磁铁会相互对齐一样。这将使得每个原子核翻转到相反方向所需的确切能量因周围的原子和电子而有所变化。当施加与之频率匹配的无线电波时，原子核会吸收该能量并改变其方向。当原子核重新与磁场对齐时，原子核会发出一个无线电信号——其频率与它吸收的频率相对应——从而传达有关其周围环境的信息。在进行MRI检查时，一系列不同频率的无线电波会以脉冲形式穿过身体，然后接收到的返回信号就可以被用于创建身体内部结构的详细图像。
核磁共振光谱分析采用类似的方法来分析毫克级的分子样本。Tongcang Li的实验室正在将磁共振原理应用于一种仅由几层原子构成的材料，这种材料通常被称为二维材料。在Tongcang Li的核磁共振实验中，二维材料中被嵌入了其先天的缺陷（通常称为自旋缺陷），而这种缺陷将用来表征放置在该材料之上的生物分子结构。由于分子与二维材料距离很近，因此分子的原子会影响嵌入薄片中的自旋缺陷，从而改变磁共振过程中返回的信号。其结果将是关于样本分子结构的原子级信息。
为了实现这一愿景，研究人员必须首先确定二维材料（在这种情况下是六方氮化硼，hBN）的结构，并精确控制单个自旋缺陷。顾名思义，hBN由交替的硼原子和氮原子组成，这些原子排列成相互连接的六边形环。晶格并不完美，偶尔会出现间隙，称为空位，空位的晶格中会缺少一个氮或硼原子。如果空位保持空缺，则每个空位中都会有一个电子沉降下来。
在2022年发表的研究中，Tongcang Li的团队利用硼空位中的电子来控制周围的氮原子核，并将它们用作量子传感器。在该系统中，电子发出的光会传达有关周围氮原子核的信息。
但Tongcang Li发现，硼空位中的电子发出的光不足以被单独看到。他使用了数千个硼空位的集合来收集分辨率为1微米的信息，这远远优于NMR的100微米分辨率，但仍然不是他想要的单个原子核的分辨率。
在hBN中发现碳缺陷——尽管当时还不知道这些缺陷的结构——提供了一个新的方向。普通碳不会产生磁场，因此不能用于磁共振，因此Tongcang Li转向了碳13，这是一种罕见的同位素，其原子核中通常有6个质子和不同寻常的7个中子。碳13确实会产生磁场。
为了制造具有碳13缺陷的hBN，Tongcang Li的团队使用了一种特殊的二氧化碳气体，其中的碳原子中99%是碳13。通过用电场加速气体中的原子，他们实际上将原子从气体中射向hBN样本。一些碳13和氧原子取代了hBN晶格中的硼或氮原子。Tongcang Li的团队使用光学显微镜确认了含有碳13的缺陷位置。
但是，在能够容纳硼、氮、碳13和氧的多种晶格的可能组合中，它们又如何确定这些缺陷的结构呢？为了回答这个问题，Tongcang Li的团队将使用碳13原子核作为探测器。
他们使用基于磁共振原理的第三种成像技术——光学探测核磁共振——他们捕捉到了一种信号，该信号使用碳13的核来报告其环境结构。Tongcang Li说，的工作展示了在二维材料中对碳-13核自旋的首次单自旋核磁共振光谱分析。
该团队根据结果将缺陷分为三组。他们与Ping合作，并确定了其中两组缺陷的具体结构。他们还观察到，即使在室温下，碳13的核自旋具有较长的相干时间，这一特性在量子计算应用中具有显著优势。
“这是人们第一次使用碳13在六方氮化硼中产生自旋缺陷，” Tongcang Li说。“我们的工作进一步加深了对六方氮化硼中自旋缺陷的理解，并提供了一条利用核自旋作为量子存储器来增强量子传感的发展途径。”
该研究得到了戈登与贝蒂·摩尔基金会、美国国家科学基金会和美国能源部的支持。（DOI：10.1038/s41586-025-09258-7）
