美因茨大学和加州大学伯克利分校的研究人员在零场核磁共振波谱学方面取得了突破，为基准量子化学计算铺平了道路。

特定分子的结构是什么?分子之间如何相互作用?对这些问题感兴趣的研究人员经常使用核磁共振 (NMR) 光谱来寻找答案。在 NMR 中，使用强大的外部磁场来排列原子核的自旋，然后由线圈产生的振荡弱磁场诱导原子核旋转。结果产生的电压变化可以转换为可测量的频率。

在此基础上，研究人员可以识别分子结构，同时揭示有关核自旋相互作用的某些信息。然而，这种类型的研究需要由大型设备产生的非常强的磁场，而这些设备本身很难安装和维护。同时，即使有如此复杂的设备，分析四极核仍然是困难的，而四极核是自然界中最丰富的核类型。

在零场核磁共振(零场 NMR)中，不需要强大的外部磁场。在这里，磁活性核自旋之间的分子内耦合是主要的量子力学相互作用。因此，谱线更窄、更清晰，甚至可以在由金属或其他材料制成的容器中研究样品。

零场核磁共振光谱法目前用于监测金属容器中的反应或植物分析;它在医学上也有着广阔的应用前景。然而，为了能够测量自旋之间的微小相互作用，必须提供对地球磁场的屏蔽，这本身就是一项复杂的任务。

本研究样本中的氘浓度服从二项分布。图片来源：Nature Communications (2024)。DOI：10.1038/s41467-024-48390-2

简单但更精确的实验设置

美因茨约翰内斯古腾堡大学 (JGU) 和美因茨亥姆霍兹研究所 (HIM) 的研究人员与加州大学伯克利分校的同事合作，最近成功利用零场核磁共振测量了四极核。

JGU 团队负责人 Danila Barskiy 博士表示：“我们分析了一种铵分子 NH₄⁺，这是一种在各种应用中发挥重要作用的阳离子。我们希望未来即使在反应堆和金属容器等复杂环境中也能检测到这些分子。”

研究人员能够设计出一种系统，只需将铵盐与水混合并添加不同量的氘即可。然后记录并分析单个光谱。为了进行这项分析，科学家们在自制的带磁屏蔽的紧凑型分析系统中使用了市售的磁强计(不大于指甲盖大小)。

精密测量以检验现有理论

研究人员还研究了另一个有趣的问题：铵分子中氘原子的数量在多大程度上影响自旋的光谱和弛豫特性?

正如 JGU 物理研究所的学生、相应出版物的主要作者 Román Picazo-Frutos 所指出的那样，“使用我们的方法，可以非常高精度地确定共振频率。由于该技术产生的结果可以与其他实验数据进行比较，因此可以用于对量子化学计算进行基准测试。我们希望我们的系统能在不久的将来成为标准做法。”

虽然基于当前理论的预测与该团队获得的结果密切相关，但仍然存在细微的偏差。

“该团队开展的工作大大扩展了可通过零场至超低场 NMR 技术分析的分子范围。它甚至可能有助于开发创新应用，可用于通过放射性伽马衰变研究原子序数较小的原子的原子核，”JGU 的 Dmitry Budker 教授总结道。

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