自量子力學(xué)創(chuàng )立以來(lái)，科學(xué)家通過(guò)對量子行為的研究，研發(fā)出了核磁共振成像、激光、半導體等在內的眾多技術(shù)產(chǎn)品，對人類(lèi)生活產(chǎn)生了重大影響。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步，第二次量子革命蓬勃發(fā)展，利用量子精密測量技術(shù)實(shí)現的精密儀器使物理量的測量達到了前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(lái)測量一系列物理量。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(lái)實(shí)現高精度、高靈敏度、高分辨率的測量。其測量的物理量包括磁場(chǎng)、電場(chǎng)、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微小的物理效應，例如引力波、暗物質(zhì)等，為天體物理等領(lǐng)域提供了新的測量手段。

量子精密測量技術(shù)

脈沖EPR技術(shù)簡(jiǎn)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(chǎng)中測量電子自旋凈磁化矢量的磁共振技術(shù)。在實(shí)驗中，通常施加一個(gè)短的振蕩場(chǎng)（比如微波脈沖）來(lái)對電子自旋磁化矢量的狀態(tài)進(jìn)行擾動(dòng)，然后測量由樣品磁化產(chǎn)生的微波發(fā)射信號，再將微波信號通過(guò)傅立葉變換在頻域中產(chǎn)生 EPR 頻譜，從而可以獲得有關(guān)順磁性化合物的結構和動(dòng)力學(xué)信息，電子自旋回波包絡(luò )調制（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?chē)俗孕南嗷プ饔?。與傳統的連續波EPR（CW EPR）相比，脈沖EPR在控制和測量樣品中的自旋態(tài)方面具有更高的靈活性和精度。

脈沖EPR技術(shù)在量子傳感中的應用

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在量子傳感中，我們可以以電子自旋為探針，來(lái)探測核自旋的相關(guān)信息?；诿}沖EPR的弛豫測量和超精細光譜法可以識別順磁粒子并對其濃度進(jìn)行測量。其測量的原理為在脈沖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度，從而影響電子自旋的弛豫時(shí)間。因此通過(guò)監測電子自旋的T1和T2的變化可以推斷核自旋的濃度。同時(shí)，核自旋會(huì )調制電子自旋的進(jìn)動(dòng)頻率，從而可通過(guò)電子自旋來(lái)對核自旋進(jìn)行表征。

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

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

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

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

圖2 室溫下MgHOTP定量檢測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(jué)波段脈沖式電子順磁共振譜儀EPR100是一款集連續波EPR、脈沖EPR、瞬態(tài)EPR為一體的多功能EPR譜儀，在支持連續波EPR實(shí)驗的同時(shí)，還可實(shí)現弛豫時(shí)間測量、電子-電子雙共振、電子-核雙共振等多類(lèi)型脈沖實(shí)驗測試。

國儀量子X(jué)波段脈沖式電子順磁共振譜儀EPR100

隨著(zhù)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產(chǎn)權，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波段連續波電子順磁共振波譜儀EPR200-Plus、臺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。