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摘要：在通过三重态DNP方法提高核自旋的极化率中，研究小组新使用分子结构刚性的二苯并[a,h]蒽，该分子的苯环稠合且具有刚性，可抑制分子如同钟摆一样的振动，增长自旋-晶格弛豫时间（T2），成功在室温（293开尔文，约20℃）的相对较弱磁场（0.64特斯拉）条件下，实现了固体中氢（1H）核自旋极化率的世界最高值61%。

关键词：核自旋极化率、室温、分子结构刚性、自旋-晶格弛豫时间、三重态DNP

研究小组在室温（293开尔文，约20℃）的相对较弱磁场（0.64特斯拉）条件下，实现了固体中氢（¹H）核自旋极化率的世界最高值61%。这一研究成果有望应用于下一代量子技术，例如量子物理性质研究和抗辐射极化靶材。

为了将核自旋应用于量子技术，需要通过高核自旋极化率来展现量子特性。然而，室温下的固体材料极易受热影响，导致核自旋极化率较低，无法将其用于量子技术。

此次，研究小组发现，在利用光激发三重态电子的动态核极化（三重态DNP）方法中，新引入的有机晶体材料二苯并[a,h]蒽是一种适用于三重态DNP方法的分子。

利用三重态DNP方法提高氢（1H）核自旋极化率

背景

核自旋具有较长的相干时间和较高的可控性，在从理解磁性到量子信息处理的固体物理学的各个领域中都发挥着重要作用。然而，在室温下，核自旋极化极易受热影响，导致核自旋极化率较低，这意味着核自旋的方向很难对齐，因此即使大量的核自旋聚集在一起，它们也不会表现出量子特性，这一直是一个问题。为了将氢原子核（¹H）的核自旋用于量子技术，不仅需要超过40%的高核自旋极化率，还必须具备高密度及强自旋间相互作用。此前，利用光泵和仲氢诱导极化等方法，已在气体和溶液中实现了超过50%的核自旋极化率。然而，在室温下的固体材料中，从未有过达到如此高核自旋极化率的例子，无法将其用于量子技术。

提高核自旋极化率的有效方法之一是“动态核极化（Dynamic Nuclear Polarization，DNP）”，此方法也被用于粒子物理学和原子核物理学中极化靶材的制备。DNP是一种通过照射微波使电子自旋方向对齐，并将电子自旋的高极化率转移到核自旋上的方法，被认为是提高固体中氢原子核（¹H）极化率最有前景的技术。然而，传统的DNP方法需要极低的温度（低于1开尔文）和强磁场。

三重态DNP方法通过激光照射使电子自旋方向高度偏向，从而产生三重态激发态，如果将这种物质少量添加到样品中并进行DNP方法，即可在不受温度影响的情况下提高核自旋的极化率。这种三重态DNP方法的最大优势在于可以在室温下操作，但由于室温下核自旋的弛豫速率较快，自旋-晶格弛豫时间（T₁）较短，因此这一直是提高核自旋极化率的主要障碍。因此，联合研究小组尝试寻找T₁较长的样品，以期提高核自旋的极化率。

研究方法与成果

此前，在三重态DNP方法中，研究小组使用了在室温下实现了最高氢原子核（¹H）自旋极化率的对三联苯单晶作为样品。在对三联苯单晶中，三个苯环直线连接（图1(a)左下），中央的苯环像钟摆一样分子振动（图1(b)左），苯环周围的局部偶极磁场发生调制，使核自旋的T₁变短。

基于此，研究小组重点研究了分子结构刚性的二苯并[a,h]蒽（图1(a)右下）。由于该分子的苯环稠合且具有刚性，因此像钟摆一样分子受到抑制（图1(b)右），从而不会调制偶极磁场，导致T₁变长。

首先，研究小组向二苯并[a,h]蒽中添加产生光激发三重态电子的少量氘代并五苯（并五苯-d₁₄），并使用布里奇曼法生长单晶，得到紫红色晶体（图1(c)）。

图1. 本研究中使用的分子

（a）并五苯-d₁₄、对三联苯和二苯并[a,h]蒽的分子结构；

（b）对三联苯和二苯并[a,h]蒽的示意图。在对三联苯中，中央的苯环像钟摆一样运动，环周围的局部偶极磁场发生调制，使核自旋的自旋-晶格弛豫时间（T₁）变短。另一方面，由于二苯并[a,h]蒽具有稠合环的刚性结构，抑制了这种分子运动；

（c）添加有0.05%摩尔当量并五苯-d₁₄（相对于1摩尔原料为0.05%）的二苯并[a,h]蒽单晶。

接下来，研究小组在室温下用激光照射该晶体，并对其进行电子自旋共振（ESR）测量，清晰地观察到了源自并五苯-d₁₄的三重态电子自旋信号，并且获得了与现有材料一致的自旋性质。

对这些结果的分析表明，将并五苯分子的长轴与外部磁场对齐，可以最大限度地提高极化转移到核自旋的效率。此外，¹H-NMR（氢核磁共振）测量结果显示，在室温且磁场为0.64特斯拉的条件下，T₁长达132分钟（图2，插图）。

这些结果表明，二苯并[a,h]蒽是一种可以均匀地掺入并五苯-d₁₄，并且具有非常长的氢原子（¹H）核自旋T₁的材料，并且是一种适合三重态DNP方法的分子。

本研究中，研究小组在室温且磁场为0.64特斯拉的条件下，使用样品中添加有0.05%摩尔当量并五苯-d₁₄的二苯并[a,h]蒽单晶（约1mg）进行了三重态DNP方法。结果显示，从三重态DNP方法开始140分钟后，氢原子（¹H）核自旋极化率达到了61%（图2）。这一数值是迄今为止在室温下固体材料中实现的氢原子（¹H）核自旋极化率的最高值。此外，激光照射下自旋弛豫时间的评估表明，相比由分子振动引起的弛豫，源自三重态电子的顺磁弛豫的贡献占主导地位。

该结果表明，仅靠简单的样品冷却所能带来的性能提升是有限的，设计更合适的分子至关重要，并且使用在三重态激发态下寿命较短的分子有望进一步提高核自旋极化率。

图2：二苯并[a,h]蒽单晶的三重态DNP方法实验

对添加有0.05%摩尔当量并五苯-d₁₄的二苯并[a,h]蒽单晶（约1mg）进行三重态DNP方法的结果：在室温且磁场为0.64特斯拉的条件下，氢原子核（¹H）自旋极化随时间的变化；140分钟后，氢原子核（¹H）自旋极化达到61%。

插图显示了使用¹H-NMR对同一样品进行自旋-晶格弛豫时间（T₁）测量的结果。

未来展望

本研究在室温下实现超过60%的高核自旋极化率，有望带来以下两个重要的应用方向：

①通过在室温下实现核自旋磁性以应用于下一代量子技术

在固体物理学中，电子自旋的磁性一直是主要的研究课题。然而，由于核自旋之间的相互作用非常弱，强关联核自旋系统的研究进展甚微。以氢原子核（¹H）为例，已知当核自旋极化率超过40%时，可以引发磁相变，而本研究实现的高极化态远远超过了这一数值。此外，众所周知，核自旋的行为会影响发光和热导率等非磁性特性。现在可以将这些物理性质测量与室温下核自旋的磁性结合起来，从而有望创造出新型量子材料。

②应用于具备抗辐射的极化靶材

在加速器科学中，高极化的核自旋被用来制造“极化靶材”，以研究自旋相关的反应。辐射损伤，即通过高能加速粒子辐照破坏材料中的化学键，产生有害自由基并导致自旋极化损失，一直是一个主要问题。众所周知，这种损伤可以通过高温退火（回火）效果修复。本研究所实现的室温下核自旋的高极化不仅有望简化加速器设备，还有助于构建可减少辐射损伤并实现更精确实验的极化靶材。

https://www.riken.jp/press/2026/20260116_2/index.html

https://doi.org/10.1016/j.cplett.2025.142606

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室温固态材料实现世界最高水平的核自旋极化率（61%）——有望应用于下一代量子技术