論文の概要: High-Field NMR Characterization and Indirect $J$-Spectroscopy of a Nuclear Spin Chain [U-$^{13}$C,$^{15}$N]-butyronitrile

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.13895v1
• Date: Sat, 14 Feb 2026 21:35:34 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-02-17 14:17:28.545553
• Title: High-Field NMR Characterization and Indirect $J$-Spectroscopy of a Nuclear Spin Chain [U-$^{13}$C,$^{15}$N]-butyronitrile
• Title（参考訳）: 核スピン鎖[U-$^{13}$C,$^{15}$N]-ブチロニトリルの高磁場NMR特性と間接$J$-分光
• Authors: Alexey Kiryutin, Ivan Zhukov, Danil Markelov, Erik Van Dyke, Alexandra Yurkovskaya, Danila Barskiy,
• Abstract要約: 結合スピンの一次元鎖は強い相関量子物質の最小モデルである。 化学工学的な核スピン鎖として[U-$13$C,$15$N]-ブチロニトリルを提示する。 この結果は, [U-$13$C,$15$N]-ブチロニトリルを, 非常に良好なスピン鎖モデル系として確立した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 35.29742953849465
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: One-dimensional chains of coupled spins are minimal models of strongly correlated quantum matter, and have been proposed as wires for transporting quantum information. In liquids, rapid molecular tumbling averages anisotropic dipolar couplings and leaves effective isotropic scalar $J$-coupling Hamiltonians. At zero- to ultralow-field (ZULF) conditions, differences in frequency between nuclear spins of different types are quenched and the internal Hamiltonians can be closely approximated by an isotropic Heisenberg model. In this work, we present [U-$^{13}$C,$^{15}$N]-butyronitrile as a chemically engineered nuclear spin chain whose full spin-spin coupling network can be determined and validated by combining high-field NMR detection with evolution at ultralow fields. Starting from high-field (16.4 T) NMR spectra of $^1$H, $^{13}$C, and $^{15}$N nuclei, we extract all relevant $J$-couplings within a 12-spin network (four $^{13}$C, one $^{15}$N, and seven $^1$H). We then employ a mechanical field-cycling apparatus to prepolarize the spins at high field, shuttle them into a magnetically shielded region for evolution at <50 nT, and detect signals after returning to high field. Fourier analysis of the ultralow-field evolution yields indirect $J$-spectra that are conceptually analogous to ZULF NMR spectra but measured by a high-field NMR spectrometer. We observe clear spectral features at $J$, 1.5$J$, and 2$J$, in good agreement with simulations using the extracted coupling matrix. Finally, we demonstrate 2D experiments that correlate high-field chemical shifts and, thus, fully map interactions within the molecular spin chain. Our results establish [U-$^{13}$C,$^{15}$N]-butyronitrile as an extremely well-characterized spin chain model system and provide a quantitative Hamiltonian benchmark for future hyperpolarization and quantum-control studies.
• Abstract（参考訳）: 結合スピンの一次元鎖は強い相関の量子物質の最小モデルであり、量子情報を伝達するためのワイヤとして提案されている。 液体中では、急激な分子タンブリングは異方性双極子結合を平均し、効果的な等方性スカラーJ$カップリングハミルトニアンを離脱する。 0--超低磁場(ZULF)条件下では、異なるタイプの核スピン間の周波数差は焼成され、内部ハミルトニアンは等方的ハイゼンベルクモデルにより近似することができる。 本研究では, [U-$^{13}$C,$^{15}$N]-ブチロニトリルを, 超低磁場でのNMR検出と進化の組合せにより全スピンスピン結合網を決定・検証できる化学工学的手法による核スピン鎖として提示する。 高磁場 (16.4 T) NMRスペクトルの$^1$H, $^{13}$C, $^{15}$N核から、12スピンネットワーク内のすべての関連する$J$結合(4ドル^{13}$C, 1ドル^{15}$N, 7ドル^1$H)を抽出する。 次に,高磁場でスピンを偏極させ,50 nTで磁気シールドされた領域に移動させ,高磁場に帰還した後に信号を検出する。 超低磁場進化のフーリエ解析は、概念的にはzuLF NMRスペクトルに似ているが、高磁場NMR分光計によって測定される、間接的な$J$-スペクトルをもたらす。 J$,1.5$J$,2$J$の明瞭なスペクトル特性を,抽出した結合行列を用いたシミュレーションとよく一致して観測した。 最後に、高磁場化学シフトを相関させ、分子スピン鎖内の相互作用を完全にマッピングする2次元実験を実証する。 この結果から,[U-$^{13}$C,$^{15}$N]-ブチロニトリルは, スピンチェインモデルとして極めて良好な特性を有し, 将来の超分極および量子制御研究のための定量的なハミルトンベンチマークを提供する。

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