It is a great challenges of weak magnetic signal testing, processing, detection and 3D atom imaging for human being. Atomic magnetic moment is one over thousand of the electronic magnetic moment which is difficult to detect. So far, the nuclear spin has no effective detection method for 3D detection. The nuclear spin magnetic resonance force imaging mechanism and research method have significant advantage of high sensitivity, high precision and high space resolution, is ten million times of MRI. This project proposes the atomic resolution diamond NV magnetic resonance force microscopy to achieve multi-parameter, multi-source, multi-spectrum operation and control method. The main contents are:1) establishing a nuclear spin magnetic detection and imaging system of weak magnetic field measurement and weak inertial detection. The research of resonance force microscopy nuclear spin cycle inversion condition and pulses RF effect. The construction of mathematical model of the magnetic force response;2) The Cantilever system scan NV to hyper polarize/information detect nuclear magnetic moment. We collect adiabaticity factor, atomic magnetic moment and multi-source information high-precision inertial response;3) Combined with the data and the nuclear dynamics model, Ω -H space mapping mechanism, we reveal the atomic relationship among nuclei spin resonance force, spectrum and magnetic phenomenon; 4) Extracting the parameters of the spin, we calibrate frequency shift and resonance frequency;5)To obtain nuclear spin operating control method and sensitivity. It provides methods for us to study the nuclear spin dynamics mechanism and nuclear spin resonance force microscopy. It is important to 3D molecular imaging ,nuclear spin polarization, quantum entanglement state superposition, neurons dynamic mechanism and achieving atomic resolution imaging.
弱磁信号检测处理、三维原子结构探测是人类面临的重大挑战.原子核磁矩弱是电子磁矩的千分之一,迄今核子自旋没有有效的三维探测操控方法.核自旋磁共振力显微成像灵敏度高,原子分辨率成像是MRI的千万倍.项目提出一种多参数多源多谱操控金刚石NV磁共振压力成像方法,内容是:1)建立弱磁场微惯性、核自旋磁检测与成像系统,研究共振压力显微核自旋循环翻转条件和脉冲RF效应,构建磁力响应数学模型;2)用Cantilever扫描NV核,超极化检测磁矩,采集缓变因子、原子磁矩和高精度惯性多源信息响应;3)结合实验数据核自旋动力学模型和Ω-H空间映射机制,揭示原子核自旋磁共振压力,谱和磁现象性质4)提取参量对自旋频移、共振频率和灵敏度定标;5)获得核自旋操控定征方法.揭示原子核自旋显微动力学机制,研究对3D分子成像、核自旋极化、量子纠缠超位superposition和神经元动力机制,获得三维原子分辨率图像意义重大。
该项目按照预期计划执行,搭建了核自旋磁共振压力显微成像系统用于提取样品的磁共振压力信号和三维光谱数据,通过调节循环翻转条件,数学模型分级评测定征核自旋磁共振力图像、谱和磁信号。并设计开发了磁共振频率数据采集系统,能按需连续自动的采集图像并能实时显示和保存,效率极高并具有广泛的适用性。获得了共振信号磁矩和场梯度、带宽、调制频率的动力学关系。通过梯度磁场、RF扫描共振完成了荧光测试。构建正向/逆向反演的蒙特卡洛三维成像模型,提取了样品的三维磁力参数。自旋磁共振信号模型基于系综建立,可以匹配磁力,满足高分辨率高光谱成像技术对空间分辨率的要求,提取样品三维空间内任一点的磁共振压力参数。在此基础上,构建了核自旋磁共振压力显微及荧光三维模型。不同悬臂振荡Q、K和频率条件下测试了磁场、磁矩、磁梯度与表面NV色心核自旋共振的荧光强度之间的关系,并与激光共聚焦的核自旋荧光和原子力显微AFM、MFM的显微进行对比,验证相关试验结果。通过NV色心植入金刚石,针尖形貌试验,成功提取到了NV样品的显微荧光,吸收和散射系数。本项目进行了基于RF射频、高光谱、涡旋光测振荡器位移的多普勒频率法在线和仿真模拟实验,验证了系统提取振荡器光学干涉参数的可靠性。采用不同自旋、不同厚度的样品模拟多层磁介质的情况,在不同磁介质建立试验对照实验组,通过测量振荡器反射光谱和干涉光谱,提取振荡器位移光学参数。为通过高光谱偏振光探测,涡旋光精密提取磁共振介质深层核自旋信息研究工作奠定了基础。最后,建立一套悬臂、弛豫和定标灵敏度计量方法。通过射频线圈和测试样品频率匹配、调整磁矩和磁场梯度,获得频移的关键参量和方法。建立原子自旋磁共振压力、原子核自旋共振成像和NV量子态高效操控存储。本项目通过采集NV氮空位信息,综合评估试验,验证了建立金刚石NV磁共振压力成像方法和操控方法的适用性,也展现了操控金刚石NV磁共振压力成像的巨大潜力。
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数据更新时间:2023-05-31
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