Protein structure analysis by robust electron spin resonance at the single molecule level.

• Applicant: Professor Dr. Friedemann Reinhard
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics ; Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2018 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 392072074

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

In diesem Projekt wurde ein neues Ausleseverfahren für Quantenbits aus NV-Farbzentren in Diamant entwickelt. Diese Qubits werden gewöhnlich über ihr Fluoreszenzlicht ausgelesen, doch dieses Verfahren ist sehr ineffizient. Um das Qubit einmal erfolgreich auszulesen, sind fast tausend Versuche des Ausleseschritts nötig. Das vorliegende Projekt hat diesen Schritt um einen Faktor tausend beschleunigt, so dass das Auslesen jetzt in einem einzigen Schritt möglich ist. Der Schlüssel zu dieser Verbesserung ist ein neues Laserprotokoll, das den Spinzustand eines NV-Farbzentrums in seinen Ladungszustand konvertiert, den Zustand des Qubits gewissermaßen in einen 1-bit Flash-Speicher kopiert. Das Protokoll verwendet dazu resonante Anregung eines zustands-abhängigen optischen Übergangs, kombiniert mit Photoionisation. Der Ladungszustand ist weit stabiler als der Spinzustand, und kann selbst von vergleichsweise ineffizienter Optik, wie etwa Glasfasern, mit hoher Genauigkeit ausgelesen werden. Weiter wurden Schritte unternommen, dieses Protokoll mit schaltbaren magnetischen Feldgradienten zu kombinieren, um dreidimensionale Abbildung einzelner Proteine zu demonstrieren. Diese Bildgebung gelang bislang lediglich für NV-Zentren in Diamant. Die für die Photoionisation von NV-Zentren ursprünglich vorgesehenen Laser im nahen Infrarot-Bereich (850 nm, 980 nm) erwiesen sich als ungeeignet, da in diesem Wellenlängenbereich stimulierte Emission stärker ist als Photoionisation. Dieses Ergebnis war überraschend, da im fraglichen Bereich praktisch in der Emission praktisch kein Fluoreszenzlicht mehr detektiert wird. Glücklicherweise ließen sich zwei spektrale Fenster bei 642 nm und 1064 nm identifizieren, in denen Photoionisation gegen stimulierte Emission dominiert und spinabhängige Photoionisation wie geplant erreicht werden konnte.

Publications

• Mesoscopic Magnetic Resonance Spectroscopy with a Remote Spin Sensor. Physical Review Applied, 9(6).
  Xie, Tianyu; Shi, Fazhan; Chen, Sanyou; Guo, Maosen; Chen, Yisheng; Zhang, Yixing; Yang, Yu; Gao, Xingyu; Kong, Xi; Wang, Pengfei; Tateishi, Kenichiro; Uesaka, Tomohiro; Wang, Ya; Zhang, Bo & Du, Jiangfeng
  
• Publisher Correction: Single-DNA electron spin resonance spectroscopy in aqueous solutions. Nature Methods, 15(9), 749-749.
  Shi, Fazhan; Kong, Fei; Zhao, Pengju; Zhang, Xiaojun; Chen, Ming; Chen, Sanyou; Zhang, Qi; Wang, Mengqi; Ye, Xiangyu; Wang, Zhecheng; Qin, Zhuoyang; Rong, Xing; Su, Jihu; Wang, Pengfei; Qin, Peter Z. & Du, Jiangfeng
  
• Nanoscale magnetic imaging of ferritins in a single cell. Science Advances, 5(4).
  Wang, Pengfei; Chen, Sanyou; Guo, Maosen; Peng, Shijie; Wang, Mengqi; Chen, Ming; Ma, Wenchao; Zhang, Rui; Su, Jihu; Rong, Xing; Shi, Fazhan; Xu, Tao & Du, Jiangfeng
  
• Kilohertz electron paramagnetic resonance spectroscopy of single nitrogen centers at zero magnetic field. Science Advances, 6(22).
  Kong, Fei; Zhao, Pengju; Yu, Pei; Qin, Zhuoyang; Huang, Zhehua; Wang, Zhecheng; Wang, Mengqi; Shi, Fazhan & Du, Jiangfeng
  
• Beating the standard quantum limit under ambient conditions with solid-state spins. Science Advances, 7(32).
  Xie, Tianyu; Zhao, Zhiyuan; Kong, Xi; Ma, Wenchao; Wang, Mengqi; Ye, Xiangyu; Yu, Pei; Yang, Zhiping; Xu, Shaoyi; Wang, Pengfei; Wang, Ya; Shi, Fazhan & Du, Jiangfeng
  
• Decoherence mitigation by real-time noise acquisition. Journal of Applied Physics, 130(5).
  Braunbeck, G.; Kaindl, M.; Waeber, A. M. & Reinhard, F.
  
• High-fidelity single-shot readout of single electron spin in diamond with spin-to-charge conversion. Nature Communications, 12(1).
  Zhang, Qi; Guo, Yuhang; Ji, Wentao; Wang, Mengqi; Yin, Jun; Kong, Fei; Lin, Yiheng; Yin, Chunming; Shi, Fazhan; Wang, Ya & Du, Jiangfeng
  
• Robust all-optical single-shot readout of nitrogen-vacancy centers in diamond. Nature Communications, 12(1).
  Irber, Dominik M.; Poggiali, Francesco; Kong, Fei; Kieschnick, Michael; Lühmann, Tobias; Kwiatkowski, Damian; Meijer, Jan; Du, Jiangfeng; Shi, Fazhan & Reinhard, Friedemann