中国科大首次利用超极化分子核自旋实现磁场信号放大

中国科学技术大学自旋磁共振实验室彭新华教授、江敏教授及其合作者，系统发展了分子核自旋的超极化技术，并提出将其用于量子传感的新方法，首次实现了基于超极化分子核自旋的磁场信号放大，将核自旋对微弱磁场的响应能力至少提升了四个数量级。相关研究成果以”Hyperpolarized Molecular Nuclear Spins Achieve Magnetic Amplification”为题于2026年4月2日在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

核自旋广泛存在于各类分子中，其相关参数蕴含着分子的内部结构和动力学信息。自核磁共振技术诞生以来，核自旋已成为波谱学、磁共振成像等领域的核心工具，相关研究曾六次荣获诺贝尔奖。除了蕴含分子内部的结构信息外，核自旋还可以作为灵敏的探测器，用于感知外界磁场、转动等重要物理信息，从而使其从传统波谱学中“被分析”的角色转变为“主动感知外界”的角色。特别地，与电子自旋相比，核自旋在常温条件下具有秒量级的超长相干时间，并且受到原子核外电子壳层的有效屏蔽，对外界环境扰动表现出较强的抗干扰能力。这些特性使核自旋在绝对磁场计量、惯性导航等领域展现出独特优势，已被用于制作质子磁力计、陀螺仪等重要传感器。然而，尽管已取得重要进展，核自旋作为传感器仍面临诸多技术瓶颈，尤其是其旋磁比较小且热平衡自旋极化度较低，导致核自旋传感器的灵敏度远低于电子自旋传感器，严重制约了核自旋向超高灵敏量子传感技术的发展。

图1.基于超极化分子核自旋的磁场放大

针对这一挑战，研究团队将自主发展的超低场核磁共振、仲氢诱导极化与弱磁测量技术相结合，提出了基于超极化分子核自旋的磁放大方案。仲氢诱导极化是一种利用仲氢作为高有序自旋源，通过鼓泡方式将其引入液态样品并将极化转移至目标分子核自旋的超极化技术（如图1(a)所示）。与传统热极化方式相比，这一技术可将核自旋极化度提升数个数量级，从而显著增强核自旋对微弱磁场的响应能力。在此基础上，团队进一步将超极化分子自旋作为传感体系，当其受到微弱振荡磁场作用时，核自旋会偏离初始方向并产生横向进动，进而产生一个附加的偶极磁场。这一偶极磁场叠加在待测磁场上，可以起到显著的放大作用（如图1(b)和1(c)所示）。在本项研究中，研究团队以乙腈和吡啶中的超极化质子自旋为实验例子，实现了约3.1% 的磁场信号放大。进一步，将简单的两能级体系扩展到具有标量耦合的多自旋体系，这类体系在零磁场下具有长寿命相干态，弛豫时间可达十余秒，能够显著增强对外界磁场的响应，并将磁放大因子提升至13.2%。相较于当前最先进的质子磁力计和Overhauser 磁力计约0.001%的放大因子，该方案实现了将核自旋磁响应能力提升四个数量级以上。团队还系统研究了放大效应随磁场幅度和频率的变化规律，并从核自旋动力学出发给出了完整的理论解释，揭示了超极化分子核自旋实现磁放大的物理机制。

这项研究首次实现了超极化分子核自旋的磁场放大效应，开辟了核自旋量子增强磁测量的新路径。该工作打通了超极化技术与精密测量的壁垒，为发展超高灵敏度传感器提供了新的方法。相关成果不仅在地质勘探、考古探测、地磁监测等传统磁测量领域具备显著性能优势，更在高精度绝对磁场计量、惯性导航、暗物质搜索等前沿方向显示出重要应用潜力。

我校博士生周生棒为论文第一作者，彭新华教授、江敏教授为该文共同通讯作者。研究工作得到了来自科技部、国家自然科学基金委、中国科学院等多个项目的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/36n5-fkb2

（物理学院 合肥微尺度物质科学国家研究中心 科研部）