自量子力學(xué)創(chuàng)立以來，科學(xué)家通過對(duì)量子行為的研究，研發(fā)出了核磁共振成像、激光、半導(dǎo)體等在內(nèi)的眾多技術(shù)產(chǎn)品，對(duì)人類生活產(chǎn)生了重大影響。隨著技術(shù)進(jìn)步，第二次量子革命蓬勃發(fā)展，利用量子精密測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)的精密儀器使物理量的測(cè)量達(dá)到了前suo未有的分辨率和靈敏度。

何為量子傳感器？

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量子傳感器利用量子力學(xué)的原理和技術(shù)來測(cè)量一系列物理量。與經(jīng)典傳感器不同，量子傳感器利用量子態(tài)的特殊性質(zhì)（例如疊加態(tài)和糾纏態(tài)）來實(shí)現(xiàn)高精度、高靈敏度、高分辨率的測(cè)量。其測(cè)量的物理量包括磁場、電場、溫度、壓力、pH值、時(shí)間和頻率等。此外，量子傳感器還可以用于探測(cè)微小的物理效應(yīng)，例如引力波、暗物質(zhì)等，為天體物理等領(lǐng)域提供了新的測(cè)量手段。

量子精密測(cè)量技術(shù)

脈沖EPR技術(shù)簡介

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脈沖電子順磁共振 （pulsed EPR）是一種涉及到在恒定磁場中測(cè)量電子自旋凈磁化矢量的磁共振技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，通常施加一個(gè)短的振蕩場（比如微波脈沖）來對(duì)電子自旋磁化矢量的狀態(tài)進(jìn)行擾動(dòng)，然后測(cè)量由樣品磁化產(chǎn)生的微波發(fā)射信號(hào)，再將微波信號(hào)通過傅立葉變換在頻域中產(chǎn)生 EPR 頻譜，從而可以獲得有關(guān)順磁性化合物的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)信息，電子自旋回波包絡(luò)調(diào)制（ESEEM）或脈沖電子-核雙共振（ENDOR）等脈沖 EPR 技術(shù)還可以揭示電子自旋與其周圍核自旋的相互作用。與傳統(tǒng)的連續(xù)波EPR（CW EPR）相比，脈沖EPR在控制和測(cè)量樣品中的自旋態(tài)方面具有更高的靈活性和精度。

脈沖EPR技術(shù)在量子傳感中的應(yīng)用

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在量子傳感中，我們可以以電子自旋為探針，來探測(cè)核自旋的相關(guān)信息?；诿}沖EPR的弛豫測(cè)量和超精細(xì)光譜法可以識(shí)別順磁粒子并對(duì)其濃度進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量的原理為在脈沖EPR中，由于核自旋會(huì)影響電子自旋的T1（縱向弛豫時(shí)間）和T2（橫向弛豫時(shí)間），濃度會(huì)影響電子自旋與核自旋的平均相互作用強(qiáng)度，從而影響電子自旋的弛豫時(shí)間。因此通過監(jiān)測(cè)電子自旋的T1和T2的變化可以推斷核自旋的濃度。同時(shí)，核自旋會(huì)調(diào)制電子自旋的進(jìn)動(dòng)頻率，從而可通過電子自旋來對(duì)核自旋進(jìn)行表征。

Sun Lei課題組以有機(jī)量子比特的MOF材料（MgHOTP）為探針，通過電子與核之間的超精細(xì)耦合作用實(shí)現(xiàn)了室溫下溶液相中離子的量子傳感，可用于檢測(cè)環(huán)境中的化學(xué)分析物（Li+、Na+）并對(duì)其進(jìn)行定量分析。研究人員將有機(jī)自由基嵌入MOF骨架中，在實(shí)現(xiàn)室溫可操作性的同時(shí)還能使有機(jī)量子比特與分析物通過吸附作用密切接觸。

圖1基于MOFs中的有機(jī)自由基的室溫量子傳感。(a)將具有有機(jī)量子比特的MOF顆粒懸浮在待測(cè)分析物的溶液中。(b)化學(xué)分析物被吸附到MOF中，并通過超精細(xì)耦合與嵌入的自由基相互作用。(c)基于超精細(xì)光譜可以識(shí)別與自由基量子比特相互作用的原子核，并進(jìn)一步對(duì)化學(xué)分析物進(jìn)行量化。

（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 19008?19016）

MgHOTP中的自由基表現(xiàn)為電子自旋量子比特，其量子態(tài)可以被外部磁場部分極化，使用微波脈沖操控，并通過電子自旋回波讀出。利用脈沖弛豫方法以及CP-ESEEM方法可對(duì)Li+進(jìn)行檢測(cè)并定量，檢測(cè)范圍為5*10-3 mol/L-0.5 mol/L。

圖2 室溫下MgHOTP定量檢測(cè)THF溶液中的Li+。(a) 不同[Li+]的LiClO4 THF溶液中MgHOTP的T1和Tm。(b)  [Li+] = 2.0 mol/L的LiClO4 THF溶液中MgHOTP的部分時(shí)間域CP-ESEEM譜圖。(c) 不同τ值下CP-ESEEM的二維光譜。(d) MgHOTP在含不同[Li+] LiClO4的THF溶液中的頻域CP-ESEEM譜。(e) 2ω(7Li)/ 2ω(1H) ESEEM峰值比與[Li+]的關(guān)系。(f) MgHOTP在含0.1 mol/L NaClO4和不同濃度LiClO4的THF溶液中的頻域CP-ESEEM譜。

（J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 19008?19016）

國儀量子

X波段脈沖式電子順磁共振譜儀

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國儀量子X波段脈沖式電子順磁共振譜儀EPR100是一款集連續(xù)波EPR、脈沖EPR、瞬態(tài)EPR為一體的多功能EPR譜儀，在支持連續(xù)波EPR實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)弛豫時(shí)間測(cè)量、電子-電子雙共振、電子-核雙共振等多類型脈沖實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

國儀量子X波段脈沖式電子順磁共振譜儀EPR100

隨著研發(fā)能力與產(chǎn)品工程化能力不斷提升，國儀量子目前已推出具有核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，商用化的X波段電子順磁共振波譜儀全系列產(chǎn)品：X波段脈沖式電子順磁共振波譜儀EPR100、X波段連續(xù)波電子順磁共振波譜儀EPR200-Plus、臺(tái)式電子順磁共振波譜儀EPR200M；并向前沿高duan技術(shù)的高頻譜儀進(jìn)軍，研發(fā)出了W波段脈沖式電子順磁共振波譜儀EPR-W900。