分子尺度上的无微波核磁共振

在纳米尺度上实现核磁共振（NMR）是一项重大挑战，因为传统系统需要相对较大的自旋系综，并将分辨率限制在介观尺度。基于量子自旋探针（如金刚石中的氮-空位（NV）中心）的新方法，最近已在环境条件下实现了纳米 NMR。然而，其测量协议需要施加高精度和相对高功率的复杂微波脉冲序列，这给这些技术的设计和可扩展性带来了限制。在此，我们展示了一种利用 NV 中心进行纳米尺度 NMR 的无微波方法，这是一种侵入性远低、且极其简化的测量协议。通过利用亚表层 NV 自旋与外部有机质子自旋环境之间精心调谐的磁交叉弛豫相互作用，我们在约 $(10~{\rm nm})^3$ 的传感体积内展示了 $^1$H 的 NMR 波谱。我们还从理论和实验上证明，我们方法的灵敏度与现有使用 NV 中心的微波控制技术相当。消除了对 NV 或环境自旋量子态进行相干操控的要求，标志着向开发稳健、非侵入性纳米尺度 NMR 探针迈出了重要一步。