Sensing single proteins with diamonds Nuclear magnetic resonance is a powerful technique for medical imaging and the structural analysis of materials, but is usually associated with large-volume samples. Lovchinsky et al. exploited the magnetic properties of a single spin associated with a defect in diamond and manipulated it with a quantum-logic protocol. They demonstrated the magnetic resonance detection and spectroscopy of multiple nuclear species within individual ubiquitin proteins attached to a specially treated diamond surface at room temperature. Science , this issue p. 836

Precise timekeeping is critical to metrology, forming the basis by which standards of time, length, and fundamental constants are determined. Stable clocks are particularly valuable in spectroscopy because they define the ultimate frequency precision that can be reached. In quantum metrology, the qubit coherence time defines the clock stability, from which the spectral linewidth and frequency precision are determined. We demonstrate a quantum sensing protocol in which the spectral precision goes beyond the sensor coherence time and is limited by the stability of a classical clock. Using this technique, we observed a precision in frequency estimation scaling in time T as T-3/2 for classical oscillating fields. The narrow linewidth magnetometer based on single spins in diamond is used to sense nanoscale magnetic fields with an intrinsic frequency resolution of 607 microhertz, which is eight orders of magnitude narrower than the qubit coherence time.

Emitters of indistinguishable single photons are crucial for the growing field of quantum technologies. To realize scalability and increase the complexity of quantum optics technologies, multiple independent yet identical single-photon emitters are required. However, typical solid-state single-photon sources are inherently dissimilar, necessitating the use of electrical feedback or optical cavities to improve spectral overlap between distinct emitters. Here we demonstrate bright silicon vacancy (SiV−) centres in low-strain bulk diamond, which show spectral overlap of up to 91% and nearly transform-limited excitation linewidths. This is the first time that distinct single-photon emitters in the solid state have shown intrinsically identical spectral properties. Our results have impact on the application of single-photon sources for quantum optics and cryptography. In quantum optical technologies, identical emitters of indistinguishable single photons are difficult to realize due to the inherent dissimilarity of each emitting device. Here, Rogers et al.demonstrate a solid-state uniform single-photon source, which does not require external tuning of optical properties.

Nuclear magnetic resonance spectroscopy and magnetic resonance imaging at the ultimate sensitivity limit of single molecules or single nuclear spins requires fundamentally new detection strategies. The strong coupling regime, when interaction between sensor and sample spins dominates all other interactions, is one such strategy. In this regime, classically forbidden detection of completely unpolarized nuclei is allowed, going beyond statistical fluctuations in magnetization. Here we realize strong coupling between an atomic (nitrogen–vacancy) sensor and sample nuclei to perform nuclear magnetic resonance on four 29Si spins. We exploit the field gradient created by the diamond atomic sensor, in concert with compressed sensing, to realize imaging protocols, enabling individual nuclei to be located with Angstrom precision. The achieved signal-to-noise ratio under ambient conditions allows single nuclear spin sensitivity to be achieved within seconds. Nuclear magnetic resonance spectroscopy is a powerful technique that can identify the presence of certain atoms in a sample by their magnetic properties. Müller et al.now take this concept to its ultimate limit by measuring individual nuclear spins near the surface of diamond.

We report on the noise spectrum experienced by few nanometer deep nitrogen-vacancy centers in diamond as a function of depth, surface coating, magnetic field and temperature. Analysis reveals a double-Lorentzian noise spectra consistent with a surface electronic spin bath, with slower dynamics due to spin-spin interactions and faster dynamics related to phononic coupling. These results shed new light on the mechanisms responsible for surface noise affecting shallow spins at semiconductor interfaces, and suggests possible directions for further studies. We demonstrate dynamical decoupling from the surface noise, paving the way to applications ranging from nanoscale NMR to quantum networks.

The negatively-charged silicon-vacancy (SiV$^-$) center in diamond is a promising single photon source for quantum communications and information processing. However, the center's implementation in such quantum technologies is hindered by contention surrounding its fundamental properties. Here we present optical polarization measurements of single centers in bulk diamond that resolve this state of contention and establish that the center has a $\langle111\rangle$ aligned split-vacancy structure with $D_{3d}$ symmetry. Furthermore, we identify an additional electronic level and evidence for the presence of dynamic Jahn-Teller effects in the center's 738 nm optical resonance.

Abstract Mammalian target of rapamycin complex 2 (mTORC2) is a protein kinase complex that plays an important role in energy homeostasis. Loss of adipose mTORC2 reduces lipogenic enzyme expression and de novo lipogenesis in adipose tissue. Adipose-specific mTORC2 knockout mice also displays triglyceride accumulation in the liver. However, the mechanism and physiological role of hepatic triglyceride accumulation upon loss of adipose mTORC2 are unknown. Here, we show that loss of adipose mTORC2 increases expression of de novo lipogenic enzymes in the liver, thereby causing accumulation of hepatic triglyceride and hypertriglyceridemia. Simultaneous inhibition of lipogenic enzymes in adipose tissue and liver by ablating mTORC2 in both tissues prevented accumulation of hepatic triglycerides and hypertriglyceridemia. However, loss of adipose and hepatic mTORC2 caused severe insulin resistance and glucose intolerance. Thus, our findings suggest that increased hepatic lipogenesis is a compensatory mechanism to cope with loss of lipogenesis in adipose tissue, and further suggest that mTORC2 in adipose tissue and liver plays a crucial role in maintaining whole-body energy homeostasis. Graphical abstract

Motivation: Parahydrogen Induced Polarization (PHIP) is a potential alternative to d-DNP for the polarization of [1-13C]pyruvate, but has so far been limited to low polarizations, low concentrations, and high impurities. Goal(s): We present, for the first time at a conference, recent advances in the polarization of [1-13C]pyruvate using PHIP via Side-Arm-Hydrogenation. Approach: Demonstration of an automated production of hyperpolarized [1-13C]pyruvate using PHIP-SAH. The PHIP system was benchmarked against a d-DNP system and hyperpolarized [1-13C]pyruvate from both systems was injected in animals for comparative in vivo metabolic MRI. Results: PHIP and d-DNP based hyperpolarization achieve comparable results, but PHIP is much faster. Impact: PHIP is demonstrated as a fast, effective, and cost-efficient polarization method for [1-13C]pyruvate. With very short dose production times, researchers are enabled to administer multiple (4) injections into the same animal within reasonable anesthesia time (<1h), allowing averaging of metabolism.