韩小涛教授团队在平顶脉冲强磁场核磁共振谱仪技术方面取得重要进展

4月20日，国际仪器与测量领域权威期刊《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》在线刊发了国家脉冲强磁场科学中心韩小涛教授团队在核磁共振技术领域的两篇研究论文，题目分别为“Nuclear Magnetic Resonance Measurements in High Flat-top Pulsed Magnetic Field up to 40 T at WHMFC”和“High-Frequency Broadband RF Transmit-Receive Switch for Pulsed Magnetic Field NMR”。我校为论文第一完成单位，韩小涛为通讯作者，强磁场中心博士生魏文琦、硕士生袁乐分别为第一作者。强磁场中心罗永康教授团队协助开展样品探头设计、科学实验等工作。



强磁场是支撑物理、化学、材料等领域前沿基础研究重要的极端实验条件，能够影响物质的电子态和量子化，进而探测特殊体系的奇异性质，且磁场强度越高，科学发现机遇越大。目前国际上非破坏性脉冲磁体可实现的最高磁场已达100特斯拉（T），但由于其固有的时变性与暂态性，难以开展核磁共振（NMR）、比热、I-V曲线等磁场需稳定持续一定时长条件的高精度测量实验，亟需发展新的强磁场技术。平顶脉冲磁场是一种特殊的时变磁场，兼具磁场强度高和稳定度高的双重优点，使得以前只能在稳态强磁场下的科学测试成为可能，也为强磁场科学研究提供了一种新的磁场环境。以NMR为例，其在凝聚态物理、生命科学以及医学成像等诸多领域具有广泛应用，是解析微观结构的主要手段之一。脉冲强磁场核磁共振测量（PMF-NMR）技术具有脉冲强磁场物性调控能力和核磁共振原子级微观探测能力，有望为发现新现象、提出新原理和合成新材料带来新的机遇，但现有PMF-NMR都是在变化磁场下开展的测量，存在场频精确同步共振困难、信号谱线畸变严重、商用NMR谱仪难以满足高频宽带应用需求等问题，难以有效开展相应科学研究。


图1“场路耦合-线性反馈”平顶脉冲强磁场：(a)调控系统示意图；(b)调控波形原理图；(c)实测调控平顶磁场波形

在此背景下，韩小涛团队依托脉冲强磁场实验装置，进一步发展了平顶脉冲强磁场技术，在国际上率先提出平顶脉冲强磁场核磁共振谱仪方案（FTPMF-NMR），发明了“场路耦合-线性反馈”磁场波形调控方法，解决了脉冲强磁场非线性时变高稳定度波形调控难题，成功实现了峰值45.199T、平顶持续时间8ms、平顶区间磁场波动±5mT（稳定度约110ppm）的高稳定度平顶脉冲磁场（图1）；团队自主研制了NMR谱仪射频链路关键器件与分层控制交互程序，实现收/发频率1GHz、实时带宽20MHz、双端隔离度100dB的高频宽带模块化NMR谱仪。团队在此基础上搭建了相应科学实验平台，并在40T平顶磁场下实现了93Nb核的NMR信号测量（图2），为超强脉冲磁场下的NMR科学测量奠定了坚实基础。FTPMF-NMR技术将为强磁场下前沿科学研究提供新的测试手段，支撑高温超导机理、重费米子材料的量子临界点、量子自旋系统的基态和相变等前沿基础研究，对于解决相关领域重大科学问题具有重要意义。


图2 (a)FTPMF-NMR科学实验平台；(b)平顶脉冲磁场下所测量93Nb核的NMR自旋回波信号

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和脉冲强磁场实验装置学科交叉基金等项目支持。

近年来，依托脉冲强磁场实验装置，韩小涛团队积极致力于平顶脉冲强磁场调控技术及其相关实验测试系统研究，实现了23.370T/100ms/64ppm、45.199T/8ms/110ppm等平顶脉冲强磁场，并搭建了平顶脉冲强磁场下的NMR、I-V曲线等物性测量系统，为相关前沿基础科学研究提供独特实验平台。

论文链接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10105297
https://ieeexplore.ieee.org/document/10103557