什么是ODMR？当ODMR遇到NV色心会碰出什么样的火花？
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光探测磁共振的概念及起源
法国物理学家Kastler
该实验方法是由法国物理学家Alfred Kastler在1950年首创的[1]。它的基本思想是利用光的抽运效应造成原子基态塞曼能级上粒子布居的偏极化，然后利用磁共振效应对这种偏极化布居进行扰动，使光的抽运速率变化，通过对抽运速率变化的探测来研究原子塞曼能级的结构。
ODMR技术巧妙地利用了光探测的高灵敏度和磁共振的高分辨率，结合了光探测和磁共振技术，在实验构思上堪称典范。该技术可用以研究原子或分子的精细和超精细结构，具有实现量子精密测量的潜力。由于光探测磁共振在基础物理研究、弱磁场测定等方面都有着重要的应用价值，因此Kastler获得了1966年的诺贝尔奖。
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磁共振技术的发展历史及应用
自旋是所有粒子具有的内禀属性，磁共振技术的原理是基于自旋在外磁场中对电磁波的共振吸收或发射现象。磁共振技术具有无伤探测的优点，能够快速的获得物质的结构信息和动力学信息，是一种强大的谱学手段。
自旋磁共振科学领域迄今已获得5次诺贝尔奖
磁共振技术的应用伴随着历史科学的发展已有近百年的历史。1930年，美国科学家I.I. Rabi开展了最早的核磁共振实验，并发明了测量核磁矩的方法[2]。1944年，苏联科学家Yevgeny Zavoisky观测到了铜盐的电子自旋信号，开创了电子自旋共振[3]。1945年，Bloch和Purcell利用磁共振技术精确测量中子和原子核的磁矩，将核磁共振技术推广到固体和液体中[4,5]。1964年，Richard R. Ernst 等人进行了二维核磁共振谱及其在成像方面的应用研究[6]。1973年，P. Lauterbur将梯度场引入NMR成像[7]，在此基础上P. Mansfield发展了三维NMR成像技术[8]。目前，磁共振成像技术已经广泛应用于医疗、材料等各个学科领域。
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微观磁共振的发展历史
微观磁共振是从分子尺度上研究极少量原子或分子体系的新兴学科。传统的光学显微镜下，由于可见光波长在350 - 700 nm，仅能探测亚微米量级，远大于原子大小。若要深入到微观世界，传统的光学探测手段显然不能满足微观探测的需求，因此还需要新型的技术革新。
1931年，厄恩斯特·卢斯卡和马克斯·克诺尔发明第一台电子显微镜，实现了分子尺度的探测，打开了微观世界的大门。1980年代，扫描隧道显微镜、X射线晶体衍射技术和扫描探针显微镜等手段的应用，使人们可以在单分子甚至单原子水平上对物质进行观察和操控，从基础层面推进了我们对微观物理、化学和生命机制的理解。目前，在微观尺度的精密测量领域，还发展了其他一些能够实现纳米分辨的技术手段，例如STM辅助探测的EPR，力探测磁共振成像，电探测磁共振等[9-12]。
纳米尺度的精密探头是实现单自旋测量的前提。根据相关文献报道，利用钻石中的氮-空位色心作为纳米尺度的“量子探针”，结合ODMR技术，能将研究对象推进到微观体系，可以实现纳米级的高空间分辨以及单电子自旋甚至是单个核自旋的超高探测灵敏度，是一种新型的微观磁共振技术[13]。
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基于NV色心的ODMR技术
NV色心是金刚石中的一种点缺陷。它最早是由H.B.Dyer, L.DU Preez等人于1965年发现[14]，它是由一个氮原子替代了金刚石晶格中的一个碳，邻近位置同时存在一个碳原子的空位，因此被称为氮-空位色心。
1997年，Wrachtrup课题组首次实现了室温条件下单金刚石NV色心的光探测磁共振[15]。NV色心通常具备两种电荷状态，带一个负电荷状态的NV-和电中性状态的NV0，其中带负电荷状态的NV色心具备优良的光探测磁共振性质（文中NV均指NV-）。NV的电子基态为自旋三重态，自旋0态的荧光比1态更亮，因此借助荧光共聚焦显微镜，可以实现对单个NV的定位、操控和读出。由于单个NV是原子尺度大小，并且在金刚石的纳米颗粒中也稳定存在，所以可以作为探针以纳米尺度靠近被测自旋，使得探测单分子自旋称为可能。
金刚石中NV色心的结构示意图
基于金刚石氮空位色心(NV center)的光探测磁共振技术可被认为是一种建立在电子自旋共振基础上的微观磁共振技术。其原理是通过532 nm激光来极化NV色心至某一初始态，然后通过脉冲式微波操控量子态，最后用激光极化NV色心的同时通过统计荧光光子的计数来判断NV色心当前所处的量子态，利用单自旋体系对外界环境的敏感性从而得到样品的相关属性。目前，该技术被广泛应用于纳米到微米尺度的弱磁场测量及电子自旋和核自旋的探测，以及高空间分辨和高灵敏度的磁成像。
近年来，基于NV色心的光探测磁共振技术已经取得了一些重要的研究成果，并成为最有希望实现单核自旋探测的手段之一。2008年，Nature杂志报道了美国哈佛大学Lukin实验组[16]和德国斯图加特大学Wrachtrup组[17]利用金刚石中的氮-空位色心进行纳米尺度弱磁探测的工作。2015年，中国科学技术大学的杜江峰教授课题组在室温条件下获得了世界上首张蛋白质分子的磁共振谱[18]。
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量子钻石单自旋谱仪Diamond Ⅱ
基于钻石NV单自旋体系为原理的磁共振谱仪，市场上还未有商业化仪器出现。目前，国仪量子已掌握基于NV体系的核心技术，并具备成熟的制造工艺，成功研制了量子钻石单自旋谱仪（型号Diamond Ⅱ），在自主研发的光探测磁共振仪器平台上，能够完成室温单自旋量子调控、及固相和液相样品中磁信号的精密测量。
量子钻石单自旋谱仪（型号Diamond Ⅱ）
该谱仪利用ODMR技术实现对钻石中氮—空位（NV色心）发光缺陷的自旋进行量子操控与读出，与传统顺磁共振、核磁共振相比，该谱仪具有以下特点：1) 初态是量子纯态，易于初始化、操控和读出；2) 自旋量子相干时间长；3) 超高灵敏度与超高分辨率；4) 可以在室温大气条件下运行，对于生物样品有良好的兼容性；5) 通过高保真度量子自旋态调控技术，实现对自旋低噪声、高效、快速的量子相干操控。
此外，谱仪还配套了高智能化控制与信号采集软件，不仅能够实现自动光路调节、自动磁场调节以及长时间的无人值守自动测样实验；还能够进行连续波实验、拉比实验、Ramsey实验、回波实验等，从而实现对NV色心的自旋信号的读取和操控。
基于NV色心的ODMR技术已在量子计算、磁探测、电探测及生物探测有较为成熟的应用。在量子计算领域，NV色心可以作为非常好的量子信息存储和调控的室温固体单自旋材料[19-23]。例如利用NV色心体系，演示了D-J算法，大数分解算法等，为计算效率的提高带来极大帮助。在精密测量领域，基于金刚石氮-空位色心的精密测量技术，能够实现对电场、磁场、温度、应力等物理量的精密测量，并且赋能于科研、教育、能源、安全、健康、工业等各行各业。例如在生物医学领域，对活体细胞磁场[24]、温度探测[25]，以及对神经单元电位探测[26]等；在材料科学领域，利用ODMR技术还可以实现对不同材料光学性质和几何结构的研究[27-29]。
注：部分信息及图片来源于网络，参考文献如下：
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