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                【七星培育鉆石網】

                元素六:CVD金剛石在量子技術中的新應用

                咋聽起來,許多人會感到奇怪,鉆石這個人類的寶貴修飾品,怎么又跟量子新時代連在了一起?鉆石不僅是漂亮的寶石,它還具有許多遠遠超出其美的吸引力的特性。這種特殊形式的碳現在具有許多實際的量子應用,正在與即將出現的鉆石量子新應用將會產生更加深刻的影響,科學家們稱之為金剛石量子技術(Diamond Quantum Technologies)。


                      在20世紀之交,科學家們努力了解微觀世界是如何工作而結果產生了量子力學,從而創新了我們現在的日常生活,例如激光、晶體管、手機、電腦等,這是依賴于量子力學作用的“量子1.0”技術革命?,F在進入21世紀,科學家們在嘗試發展下一波創新,“量子 2.0”技術革命依賴于操縱和讀取量子態,利用疊加和糾纏的量子效應。


                       當前,正在針對這場革新研究的許多技術解決方案,例如超導、被困離子、量子點、光子和半導體中的缺陷。每種技術都有各自優缺點。捕獲的離子具有出色的量子性質,但集成起來具有挑戰性;超導體電路可以制造,但只能在低溫下工作。此時,金剛石材料突 穎而起,因為便于通過使其更易于集成到電子設備中的固態化,并在室溫下工作,而提供了發揮作用的技術解決方案。


                       量子金剛石


                       對金剛石的許多量子應用研究集中在識別可以在碳晶格中發現的數百種不同缺陷。一種這樣的缺陷是帶負電荷的氮空位缺陷,稱為NV缺陷。1997年,德國開姆尼茨工業大學的研究證明,可以操縱單個NV缺陷并在室溫下提供光學輸出。這一發現引發了金剛石量子技術領域。該過程稱為光學檢測磁共振(ODMR),由于NV缺陷,在掃描施加的微波場時,在對單個NV缺陷或它們的集合照射綠光后測量熒光變化時,通過測量熒光強度,可以讀出缺陷的自旋狀態。


                       如上圖所示的NV缺陷。一個完美的重復碳原子的菱形晶格。除去兩個相鄰的原子,然后用氮替換一個原子(圖中亮藍色),而另一個保持“空”或空位(淺藍色)。這是金剛石中的中性氮空位缺陷,它可以具有四個不同的晶體學取向。如果晶格附近存在另一個缺陷,該缺陷中的電子能量較高,通常是一個沒有空位的替代氮,則該電子將轉移到氮空位上,使其帶負電。


                       與帶負電的氮空位(NV)缺陷相關的電子占據了空位周圍的懸空鍵,因此其能級與捕獲離子中的能級相似。這些NV缺陷具有的能量水平特定組合,使得無論基態自旋的電子開始,一旦晶體與綠色光照射時,會通過能量水平周期和在統計上更可能進入自旋狀態,使電子圍繞該環路循環足夠的次數,自旋將有效地對齊。一旦處于基態,就可以通過施加微波和進一步的光脈沖來操縱NV缺陷以進行量子實驗。利用了缺陷所發出的光量是“亮”或“暗”的事實,測量時其基態的自旋。


                       在接下來的十來年里,科學家們利用這項技術,希望將金剛石用作量子信息設備,例如量子計算機中的量子比特或“量子比特”。同時,許多公司開始開發新技術,以利用微波輔助化學氣相沉積技術為工業應用生產高純度合成單晶金剛石,如下圖所示成批生產的4×4×0.5毫米的高純度合成單晶金剛石。


                       德國斯圖加特大學以及美國哈佛大學的研究表明,可以將金剛石用于制作一個磁性傳感器,其中NV缺陷的光學輸出的亮度取決于磁場強度,從而提出了許多使用NV缺陷的新應用。金剛石之所以能提供如此出色的量子缺陷宿主,是因為其晶體結構。例如,金剛石是一種寬帶隙材料,這意味著它可以在光學狀態下通過躍遷能量來容納一系列缺陷,從而使這些缺陷可以用現成的激光進行處理。


                       金剛石設備


                       基于金剛石鉆石的量子設備的優點之一是其簡單性?;驹O備可以由綠色光源、金剛石、小型微波源和光電探測器制成。這是因為有效的光學初始化和NV自旋的讀取過程不需要專門的窄線寬激光器,甚至可以使用簡單的綠色LED。


                       荷蘭代爾夫特理工大學的科學家將金剛石中的NV缺陷用作100%安全量子互聯網中的“量子轉發器節點”。在這樣的網絡中,量子點被機械地糾纏在一起,從而建立了一條從源到接收器的鏈,可以在遠距離上傳輸量子信息。


                       另一個新興的應用是基于金剛石的激射器,它發明于1950年代,并不像激光那樣廣泛使用,但仍具有許多不可估量的應用。微波激射器因其高增益和極低的噪聲而被用于射電天文學和深空通信。它們在短時間范圍內如此穩定,因此還可以用作振蕩器,從而實現全球定位系統所需的高精度定時。


                       利用金剛石傳感探測


                       金剛石磁場傳感器原則上比其他傳感器技術具有許多優勢。例如,它是一個固有的矢量傳感器,因為它沿NV缺陷的軸很敏感,這意味著可以使用四個不同的NV方向來重構矢量場。它還具有巨大的帶寬,對幾個數量級的磁場敏感。金剛石磁場傳感器原則上比其他傳感器技術具有許多優勢。


                       上圖所示為防干擾的GPS定位系統。美國國防公司洛克希德·馬丁公司的GPS金剛石磁力計,它不依賴于會干擾的外部源。該系統目前只有鞋盒大小,但可以縮小到冰球的大小,該磁力計可以用作不依賴外部信號的另一種GPS。通過使用金剛石磁力計的矢量功能來感應地球磁場的強度和方向而起作用。鑒于地球場的變化取決于在地面上的位置,因此可使用此信息來定位自己,而無需依賴可能被干擾的外部源。


                       該傳感器還可以反向使用以檢測射頻(RF)場。在此配置中,以受控方式將磁場梯度放置在含NV的金剛石上,然后提供已知的能級塞曼位移。當施加未知頻率的微波信號時,在對應于該頻率的位置處出現磁共振。這種方法的最大優勢在于,可以一次測量并以高分辨率測量整個頻譜(超過幾十GHz)。該技術可用于5G網絡中,以防止相鄰基站之間的干擾。


                       德國的金剛石公司正在使用金剛石來增強磁共振成像(MRI),將其從解剖學轉變為類似于正電子發射斷層掃描(PET)的分子成像方式。該技術的原理是將電子自旋從NV缺陷轉移到目標分子的核自旋。將NV缺陷與目標分子緊密接觸,然后用綠光照射,并施加微波源。然后,通過使用一系列微波脈沖,自旋可以從金剛石轉移到目標分子的核自旋。核自旋持續足夠長的時間,以允許將分子適用于患者和在MRI中具有高對比度的測量。


                       金剛石現已確立為量子材料與量子技術革命的主要參與者,金剛石的量子未來已來。


                       文章作者為:元素六的Matthew Markham博士和Daniel Twitchen博士

                     

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