La hiperpolarización de espines nucleares normalmente requiere irradiación con microondas, lo que complica el experimento y limita su aplicabilidad. En el diamante, los centros NV pueden polarizarse con luz a temperatura ambiente, pero en polvo la orientación aleatoria de los centros desdibuja las condiciones de resonancia. Este trabajo se sitúa junto a investigaciones sobre hiperpolarización óptica en monocristales y protocolos basados en pulsos de microondas para micro y nanodiamantes. Trabajos vecinos utilizan centros NV de diamante para magnetometría, información cuántica y microscopía óptica, pero hasta ahora no se había demostrado un protocolo puramente óptico para polvo.
Dos muestras de partículas de diamante: submicrométricas con 20% de 13C y comerciales de 1,5–2,5 µm con abundancia natural del 1,1%. En ambas se crearon centros NV mediante irradiación electrónica y recocido. Las partículas se colocaron en un rotor de espectrómetro de RMN, se giraron al ángulo mágico de 54,74° con frecuencias de hasta 6 kHz y se iluminaron con láser de 532 nm a través de fibra óptica. La secuencia incluyó anulación de la polarización residual, período de bombeo con luz y pulso de detección de 90°. Las concentraciones de defectos se determinaron por EPR. Para describir el mecanismo se construyó un modelo mínimo de tres espines NV–P1–13C y se resolvieron la ecuación de Lindblad para la estática y las ecuaciones de Landau–Zener para la rotación.
La amplificación máxima de la señal de 13C fue de 280 veces para la muestra con 20% de enriquecimiento a una frecuencia de rotación de 2 kHz y de 411 veces para la muestra natural a 1 kHz. En régimen estacionario, la polarización absoluta alcanzó el 0,12% y el 0,23% respectivamente, casi un orden de magnitud superior a resultados previos para micro y nanodiamantes. La dependencia con la frecuencia de rotación mostró un aumento brusco hasta el máximo y una caída al seguir incrementando la velocidad. Experimentos variando la demora tras un pulso corto de luz revelaron transferencia de polarización desde núcleos cercanos al centro NV hacia núcleos distantes mediante difusión de espín. El modelo reprodujo la tendencia cualitativa de la dependencia con la frecuencia de rotación y predijo el signo positivo de la polarización promediada.
Este trabajo se distingue de los vecinos porque implementa por primera vez hiperpolarización puramente óptica en polvo de diamante sin microondas, usando la rotación para superar la anisotropía de los centros NV. A diferencia de los esquemas estáticos, donde solo participan centros con orientación favorable, aquí más del 99,9% de los centros NV atraviesan geométricamente las regiones de anticruce de niveles. Esto elimina una limitación fundamental para conjuntos de nanopartículas orientadas aleatoriamente y hace que el protocolo sea compatible con la técnica estándar de RMN con rotación al ángulo mágico.
El objetivo más cercano es transferir la polarización desde el 13C dentro del diamante a núcleos externos, por ejemplo protones en la superficie. La estimación de la longitud de difusión de espín de unos 6 nm indica un tamaño óptimo de partícula inferior a 30 nm. También es posible la transferencia directa a protones superficiales a través de defectos paramagnéticos subsuperficiales con fuerte acoplamiento hiperfino. El método podría extenderse a otros sistemas con tripletes ópticamente polarizables, como el pentaceno en cristales moleculares.
El método podría aumentar la sensibilidad de la espectroscopía de RMN de estado sólido y de la magnetometría con núcleos hiperpolarizados a temperatura ambiente. También abre el camino al análisis de sustancias adsorbidas en la superficie de nanopartículas de diamante.
Optimizar el tamaño de partícula y la concentración de defectos para extraer eficazmente la polarización hacia la superficie. Verificar la transferencia a núcleos externos mediante polarización cruzada e investigar la polarización directa de protones en la superficie.
En el campo de la resonancia magnética sigue sin resolverse el problema de hiperpolarizar moléculas arbitrarias a temperatura ambiente sin equipamiento de microondas. Este trabajo demuestra que el bombeo óptico de defectos combinado con rotación mecánica puede convertirse en una herramienta universal, pero requiere resolver el transporte de polarización a través de la interfaz.
El ángulo de 54,74° entre el eje de rotación y el campo magnético se llama mágico porque anula las interacciones dipolares entre núcleos. Precisamente ese ángulo hace que más del 99,9% de los centros NV atraviesen los puntos de cruce de niveles dos veces por cada vuelta del rotor.