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【24h】

Atomic-scale imaging of a 27-nuclear-spin cluster using a quantum sensor

机译：使用量子传感器对27个核自旋簇的原子尺度成像

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Nuclear magnetic resonance (NMR) is a powerful method for determining the structure of molecules and proteins(1). Whereas conventional NMR requires averaging over large ensembles, recent progress with single-spin quantum sensors(2-9) has created the prospect of magnetic imaging of individual molecules(10-13). As an initial step towards this goal, isolated nuclear spins and spin pairs have been mapped(14-21). However, large clusters of interacting spins-such as those found in molecules-result in highly complex spectra. Imaging these complex systems is challenging because it requires high spectral resolution and efficient spatial reconstruction with sub-angstrom precision. Here we realize such atomic-scale imaging using a single nitrogen vacancy centre as a quantum sensor, and demonstrate it on a model system of 27 coupled C-13 nuclear spins in diamond. We present a multidimensional spectroscopy method that isolates individual nuclear-nuclear spin interactions with high spectral resolution (less than 80 millihertz) and high accuracy (2 millihertz). We show that these interactions encode the composition and inter-connectivity of the cluster, and develop methods to extract the three-dimensional structure of the cluster with sub-angstrom resolution. Our results demonstrate a key capability towards magnetic imaging of individual molecules and other complex spin systems(9-13).
机译：核磁共振（NMR）是确定分子和蛋白质结构的有力方法（1）。传统的NMR需要对大型集合进行平均，而单旋量子传感器的最新进展（2-9）则为单个分子的磁性成像创造了前景（10-13）。作为朝着这个目标迈出的第一步，已经绘制了孤立的核自旋和自旋对（14-21）。但是，相互作用的自旋的大簇（例如在分子中发现的自旋）导致高度复杂的光谱。对这些复杂的系统进行成像具有挑战性，因为它需要高光谱分辨率和具有亚埃精度的有效空间重构。在这里，我们使用单个氮空位中心作为量子传感器来实现这种原子级成像，并在包含27个耦合的C-13核自旋的金刚石模型系统中进行了演示。我们提出了一种多维光谱学方法，该方法可分离具有高光谱分辨率（小于80毫赫兹）和高精度（2毫赫兹）的单个核-核自旋相互作用。我们表明，这些相互作用编码了簇的组成和相互连接，并开发了以亚埃分辨率提取簇的三维结构的方法。我们的结果证明了对单个分子和其他复杂自旋系统进行磁成像的关键能力（9-13）。

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