Представьте карусель, на которой сидят не дети, а крошечные магнитные стрелки внутри алмазной пыли. Обычно эти стрелки направлены хаотично, и их сигнал теряется в шуме. Но если карусель наклонить под особым углом и одновременно осветить её зелёным лазером, стрелки начинают выстраиваться в одном направлении. Именно это сделали физики с алмазными частицами, вращая их под углом 54,74° к магнитному полю.
Секрет кроется в дефектах алмаза, называемых NV-центрами. Это места, где атом азота соседствует с пустотой в кристаллической решётке. Под действием света такой дефект поляризуется, то есть его электрон переходит в состояние с определённым направлением спина. Затем эта поляризация передаётся соседним ядрам углерода-13. Раньше для такого переноса требовались микроволновые импульсы, которые сложно генерировать и контролировать. Теперь же вращение образца заменяет микроволны.
В эксперименте использовали два типа алмазных частиц: субмикронные с 20% углерода-13 и коммерческие микронные с природным содержанием 1,1%. Их помещали в ротор ЯМР-спектрометра, вращали с частотой до 6 кГц и освещали лазером с длиной волны 532 нм. Максимальное усиление сигнала достигло 411 раз для природного образца на частоте 1 кГц. Для обогащённого образца усиление составило 280 раз при 2 кГц. Стационарная поляризация достигла 0,23% и 0,12% соответственно, что почти на порядок выше прежних результатов для микро- и наноалмазов.
Зависимость усиления от частоты вращения оказалась резонансной: сначала сигнал растёт, достигает максимума, а затем падает. Это объясняется тем, что при слишком быстром вращении NV-центры не успевают передать поляризацию ядрам. Модель трёх спинов (NV-центр, одиночный азот P1 и ядро углерода-13) воспроизвела наблюдаемую картину. Она показала, что пересечения уровней возникают именно из-за вращения, а не из-за изменения магнитного поля.
Теперь, когда алмазная пыль научилась накапливать ядерную поляризацию без микроволн, открывается путь к сверхчувствительному ЯМР при комнатной температуре. Ближайшая цель — перенести поляризацию от углерода-13 внутри алмаза к внешним ядрам, например протонам на поверхности. Оценки показывают, что для этого нужны частицы размером менее 30 нанометров. Тогда карусель сможет раскручивать не только собственные стрелки, но и передавать их упорядоченность соседним молекулам.
Угол 54,74° между осью вращения и магнитным полем называют магическим, потому что он обнуляет диполь-дипольные взаимодействия между ядрами. Именно этот угол заставил более 99,9% NV-центров проходить через нужные точки пересечения уровней дважды за каждый оборот ротора.