論文の概要: Microwave-Free $^{13}$C Hyperpolarization of Diamond Particles Enabled by Magic Angle Spinning and NV Centers
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.07653v1
- Date: Mon, 07 Sep 2026 15:41:10 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-09-11 21:25:40.289903
- Title: Microwave-Free $^{13}$C Hyperpolarization of Diamond Particles Enabled by Magic Angle Spinning and NV Centers
- Title（参考訳）: マジックアングル紡糸とNV中心で実現したダイヤモンド粒子のマイクロ波フリー$^{13}$C超分極
- Abstract要約: 固体中の光励起色中心からの核過分極は、従来のマイクロ波駆動動的核分極(DNP)の代替となる
ダイヤモンドは窒素空孔(NV)中心をホストすることができ、その基底スピン状態は室温で光によって容易に偏光することができる。
粒子径が0.2～2$mのランダム配向ダイヤモンド粒子において,13rm C$核超分極を報告した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.2292040390978565
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
- Abstract: Nuclear hyperpolarization from optically pumped color centers in solids offers an alternative to conventional microwave-driven dynamic nuclear polarization (DNP). Diamond can host the nitrogen vacancy (NV) center, whose ground spin state can be readily polarized by light at room temperature, making diamond a candidate platform for nuclear hyperpolarization. We report $^{13}{\rm C}$ nuclear hyperpolarization in randomly oriented diamond particles with sizes ranging from 0.2 to 2 $μ$m, both at natural $^{13}{\rm C}$ abundance (1.1 %) and at 20 % isotopic enrichment, at magnetic fields of 7.1 T and 9.4 T. The protocol combines optical illumination with magic angle spinning (MAS) and does not require microwave irradiation. By investigating the nuclear polarization as a function of the MAS frequency between 0 and 6 kHz at the magnetic field of 7.1 T, we find maximum light-induced polarization enhancements of $280$-fold for the isotopically enriched sample and $411$-fold for the natural abundance sample. Under continuous illumination, steady-state absolute $^{13}{\rm C}$ polarization levels above 0.1 % are reached. A model involving optical pumping of NV centers and spin dynamics near level anticrossings (LACs) in three-spin clusters formed by NV, a substitutional nitrogen (P1) and $^{13}{\rm C}$ is used to describe these findings. The protocol strongly mitigates the effect of the anisotropy of the NV spin Hamiltonian, allowing more than $99.9\%$ of NV orientations to participate in the polarization transfer process. These results represent a first step toward transferring nuclear polarization from diamond particles to external nuclei, with potential applications in sensitive and high-resolution NMR at room temperature.
- Abstract（参考訳）: 固体中の光励起色中心からの核偏極は、従来のマイクロ波駆動型動的核偏極(DNP)の代替となる。
ダイヤモンドは窒素空孔(NV)中心をホストすることができ、その基底スピン状態は室温で光によって容易に分極できるため、ダイヤモンドは核超分極の候補となる。
我々は、ランダムに配向したダイヤモンド粒子の原子核過分極を、天然の$^{13}{\rm C}$ abundance (1.1 %)と20 %の同位体濃縮で0.2〜2$μ$mの範囲で、それぞれ7.1 Tと9.4 Tの磁場で報告する。
7.1Tの磁場におけるMAS周波数の0～6kHzの関数として核偏光を調べたところ、等方的に濃縮された試料では280ドル、天然の試料では411ドルという最大光誘起偏光増分が得られた。
連続照明下では、安定状態の絶対$^{13}{\rm C}$分極レベルが0.1%以上に達する。
置換窒素 (P1) と$^{13}{\rm C}$ の3スピンクラスターにおけるNV中心の光ポンピングとLAC近傍のスピン動力学を含むモデルを用いてこれらの知見を述べる。
このプロトコルは、NVスピンハミルトニアンの異方性の影響を強く緩和し、99.9\%以上のNV配向が偏極移動過程に参加することを可能にする。
これらの結果は、ダイヤモンド粒子から外部原子核への核偏極の移動への第一歩であり、室温での感度と高分解能NMRへの応用の可能性を示している。
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