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通常NMR信号は、ラジオ周波数(radio-frequency: rf)の電気信号として検出されます。私たちは、信号をrfから光の領域にまでアップコンバートして、従来の電気的な検出に比べて高い感度でNMR信号を検出することを目指しています。

NQRの困難な点は共鳴周波数を見つけることにあります。NQR信号の探索において、共鳴周波数が励起パルスの帯域幅の範囲内にいる場合にNQR信号が見つかります。ところが励起パルスの帯域幅は検出回路の帯域幅よりもずっと狭いことが多いです。したがって、周波数を少しずつ変化させては、何度も観測を試みる必要があります。

私たちは、効率的なNQR信号の探査方法を考案し、その有効性をデモンストレーションしました。ポイントは、rapid scan励起とコム変調を組み合わせることにあります。レーザー分光で知られているように、コム変調によって搬送波の帯域幅を拡張することができます。実際、コム変調をrapid scanに適用すると、励起帯域を何倍にも拡張できます。また、コム変調によって、励起パルスにギャップが生じます。そのギャップを信号のサンプリングに有効活用することができます。すなわち、広帯域励起を行いながら同時に観測も行えるのです。

この研究を報告した論文がPCCP(Physical Chemistry Chemical Physics)の2020 HOT Articlesに選ばれました！
Y. Hibe, Y. Noda, K. Takegoshi, K. Takeda, Rapid survey of nuclear quadrupole resonance by broadband excitation with comb modulation and dual-mode acquisition, Phys. Chem. Chem. Phys. 22 (2020) 25584–25592, 10.1039/D0CP05309K

拡散とは、拡散方程式に従う空間的な輸送現象の総称です。粒子の拡散(文字通りの拡散)や熱伝導(熱エネルギーの拡散的輸送)がよく知られています。固体NMRの文脈においてスピン拡散とは、拡散方程式にしたがう、原子核スピンに起因する磁化の空間的輸送、と定義することができます。スピン拡散という概念が提唱されて以来、既に70年以上の年月が流れていますが、固体NMRにおけるその重要性は現在も変わりません。スピン拡散は固体における核磁化の緩和や動的核偏極に本質的に重要な役割を担っています。

私たちは、核スピンが超偏極状態になった場合にはスピン拡散係数は構造だけではなくスピン偏極率にも依存することを理論的に示しました。従来のスピン拡散に関する理論は皆、高温近似が用いられてきました。私たちは、スピン拡散に関するLowe-Gade理論を低温すなわ超偏極状態にまで拡張し、スピン拡散係数偏極率とともに増大することを理論的に予測しました。これは、スピン系の偏極率が上がるほそスピン拡散による核磁化の輸送が加速されることを意味します。近年の動的核偏極の普及とともに、超偏極実験の重要性がますます大きくなってきています。この研究の成果は今後の動的核偏極やスピン緩和の研究に重要な洞察を与えることになると私たちは信じています。

この研究成果は、New Journal of Physicsに掲載されました。
Y. Wang, K. Takeda, Speedup of nuclear spin diffusion in hyperpolarized solids, New J. Phys. 23 (2021) 073015, 10.1088/1367-2630/ac0d6e