Optically detected nuclear magnetic resonance above and far below earth's magnetic field: spin dynamics and relaxation in unconventional regimes

Abstract

(English) This thesis describes theoretical background, simulations, experimental apparatus and measurements of nuclear spin dynamics via optically pumped magnetometers in unconventional magnetic field regimes. It is divided into four parts: Magnetometry, Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, Nuclear Relaxation Dispersion, and Nuclear Spin Control, each looking at different aspects of this topic. The magnetometry section describes how through integration of techniques from DC spin-exchange relaxation-free and rf magnetometers, a widely tunable magnetometer is developed that offers a nearly flat response from DC up to few kHz with a sensitivity of less than 20 fT √Hz. Within this range, it surpasses the capabilities of inductive detection methods and eliminates the necessity for cryogenic temperatures that are required for superconducting quantum interference devices (SQUIDs). The subsequent part employs the magnetometer for conducting nuclear magnetic resonance spectroscopy experiments involving coupled nuclear spin systems. A comprehensive analysis is undertaken to ascertain the optimal magnetic field that yields the most precise determination of the J-coupling constant. It is shown that for some systems the ultra-low field regime offers advantages compared to the zero- and high-field regime. A key factor in choosing the optimal field is the nuclear spin relaxation’s strong field dependency, explored in the thesis’s third part. This section thoroughly examines this subject in the unconventional ultra-low field range, discussing long-lived coherences and the impact of long correlations in molecular dynamics. The thesis experimentally investigates this by adapting the established fast-field cycling method to ultra-low fields and combining it with optical detection. The thesis’ s final part focuses on enhancing nuclear spin dynamics manipulation through advanced methods that ensure selective, efficient, accurate, and fault-tolerant spin control. Ultra-low fields possess unique attributes, making even basic techniques like spin-selective resonant pulses challenging to implement. To address this, novel concepts were devised, enabling effective spin control in the ultra-low field range, rivaling or surpassing high-field counterparts. The efficiency of these improved pulse sequences is demonstrated in dynamical decoupling, polarimetry, and spectral filtering experiments.

(Català) Aquesta tesi doctoral descriu la teoria, simulacions, aparell experimental i mesuraments de dinàmiques de espín nuclear per mitjà de magnetòmetres de bombeig òptic en règims magnètics no convencionals. Aquesta tesi està dividida en quatre parts: magnetometria, espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear, dispersió relaxació nuclear i control de espín nuclear. La secció de magnetometria descriu com, mitjançant la integració de les tècniques d’intercanvi de espín DC lliure de relaxació i magnetòmetres RF, s’ha desenvolupat un magnetòmetre àmpliament ajustable que ofereix una resposta gairebé plana des de DC fins a uns pocs kHz amb una sensibilitat de menys de 20 fT √Hz. En aquest rang, sobrepassa les capacitats de mètodes de detecció inductiva i elimina la necessitat de temperatures criogèniques necessàries en aparells superconductors d'interferència quàntica o SQUIDs (per les sigles en anglès). A la següent part s'empra el magnetòmetre per realitzar experiments d'espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear en sistemes amb espines nuclears acoblats. Es fa una anàlisi exhaustiva per trobar el camp magnètic que dóna la determinació més precisa de la constant J d'acoblament. Es demostra que alguns sistemes en règim de camps ultra baixos ofereixen avantatges quan es comparen amb els camps a zero y alt règim. Un factor clau per triar el camp magnètic és la forta dependència de la relaxació de l'espín nuclear amb el camp. Aquesta dependència s'explora a la tercera part d'aquesta tesi al rang no convencional de camps ultra baixos, amb una discussió sobre coherències persistents de llarga vida i l'impacte de correlacions esteses a les dinàmiques moleculars. Aquest estudi es realitza experimentalment adaptant el mètode establert de rotació ràpida de camp (fast field cycling) a camps ultra baixos i combinant-ho amb detecció òptica. La part final d'aquesta tesi s'enfoca a millorar la manipulació de les dinàmiques d'espín nuclear mitjançant mètodes avançats que asseguren un control de l'espín selectiu, eficient, exacte i a prova d'errors. Els camps ultra baixos tenen atributs únics que fan que fins i tot les tècniques bàsiques com els polsos ressonants selectius d'espín siguin difícils d'implementar. Per resoldre això, s'han desenvolupat nous conceptes que permeten el control efectiu de l'espín en el rang de camps ultra baixos similars o fins i tot millors que les contraparts de camps alts. L'eficàcia d'aquestes seqüències de polsos millorades es demostra amb experiments de desacoblament dinàmic, polarimetria i filtratge espectral.