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元素六:CVD金刚石在量子技术中的新应用

2020-04-26浏览量:2574

信息导读:

   咋听起来,许多人会感到奇怪,钻石这个人类的宝贵修饰品,怎么又跟量子新时代连在了一起?钻石不仅是漂亮的宝石,它还具有许多远远超出其美的吸引力的特性。这种特殊形式的碳现在具有许多实际的量子应用,正在与即将出现的钻石量子新应用将会产生更加深刻的影响,科学家们称之为金刚石量子技术(Diamond Quantum Technologies)。

  在20世纪之交,科学家们努力了解微观世界是如何工作而结果产生了量子力学,从而创新了我们现在的日常生活,例如激光、晶体管、手机、电脑等,这是依赖于量子力学作用的“量子1.0”技术革命。现在进入21世纪,科学家们在尝试发展下一波创新,“量子 2.0”技术革命依赖于操纵和读取量子态,利用叠加和纠缠的量子效应。

  当前,正在针对这场革新研究的许多技术解决方案,例如超导、被困离子、量子点、光子和半导体中的缺陷。每种技术都有各自优缺点。捕获的离子具有出色的量子性质,但集成起来具有挑战性;超导体电路可以制造,但只能在低温下工作。此时,金刚石材料突 颖而起,因为便于通过使其更易于集成到电子设备中的固态化,并在室温下工作,而提供了发挥作用的技术解决方案。

        量子金刚石

  对金刚石的许多量子应用研究集中在识别可以在碳晶格中发现的数百种不同缺陷。一种这样的缺陷是带负电荷的氮空位缺陷,称为NV缺陷。1997年,德国开姆尼茨工业大学的研究证明,可以操纵单个NV缺陷并在室温下提供光学输出。这一发现引发了金刚石量子技术领域。该过程称为光学检测磁共振(ODMR),由于NV缺陷,在扫描施加的微波场时,在对单个NV缺陷或它们的集合照射绿光后测量荧光变化时,通过测量荧光强度,可以读出缺陷的自旋状态。

  如上图所示的NV缺陷。一个完美的重复碳原子的菱形晶格。除去两个相邻的原子,然后用氮替换一个原子(图中亮蓝色),而另一个保持“空”或空位(浅蓝色)。这是金刚石中的中性氮空位缺陷,它可以具有四个不同的晶体学取向。如果晶格附近存在另一个缺陷,该缺陷中的电子能量较高,通常是一个没有空位的替代氮,则该电子将转移到氮空位上,使其带负电。

  与带负电的氮空位(NV)缺陷相关的电子占据了空位周围的悬空键,因此其能级与捕获离子中的能级相似。这些NV缺陷具有的能量水平特定组合,使得无论基态自旋的电子开始,一旦晶体与绿色光照射时,会通过能量水平周期和在统计上更可能进入自旋状态,使电子围绕该环路循环足够的次数,自旋将有效地对齐。一旦处于基态,就可以通过施加微波和进一步的光脉冲来操纵NV缺陷以进行量子实验。利用了缺陷所发出的光量是“亮”或“暗”的事实,测量时其基态的自旋。

  在接下来的十来年里,科学家们利用这项技术,希望将金刚石用作量子信息设备,例如量子计算机中的量子比特或“量子比特”。同时,许多公司开始开发新技术,以利用微波辅助化学气相沉积技术为工业应用生产高纯度合成单晶金刚石,如下图所示成批生产的4×4×0.5毫米的高纯度合成单晶金刚石。

元素六CVD金刚石

  德国斯图加特大学以及美国哈佛大学的研究表明,可以将金刚石用于制作一个磁性传感器,其中NV缺陷的光学输出的亮度取决于磁场强度,从而提出了许多使用NV缺陷的新应用。金刚石之所以能提供如此出色的量子缺陷宿主,是因为其晶体结构。例如,金刚石是一种宽带隙材料,这意味着它可以在光学状态下通过跃迁能量来容纳一系列缺陷,从而使这些缺陷可以用现成的激光进行处理。

   金刚石设备

  基于金刚石钻石的量子设备的优点之一是其简单性。基本设备可以由绿色光源、金刚石、小型微波源和光电探测器制成。这是因为有效的光学初始化和NV自旋的读取过程不需要专门的窄线宽激光器,甚至可以使用简单的绿色LED。

  荷兰代尔夫特理工大学的科学家将金刚石中的NV缺陷用作100%安全量子互联网中的“量子转发器节点”。在这样的网络中,量子点被机械地纠缠在一起,从而建立了一条从源到接收器的链,可以在远距离上传输量子信息。

  另一个新兴的应用是基于金刚石的激射器,它发明于1950年代,并不像激光那样广泛使用,但仍具有许多不可估量的应用。微波激射器因其高增益和极低的噪声而被用于射电天文学和深空通信。它们在短时间范围内如此稳定,因此还可以用作振荡器,从而实现全球定位系统所需的高精度定时。

   利用金刚石传感探测

  金刚石磁场传感器原则上比其他传感器技术具有许多优势。例如,它是一个固有的矢量传感器,因为它沿NV缺陷的轴很敏感,这意味着可以使用四个不同的NV方向来重构矢量场。它还具有巨大的带宽,对几个数量级的磁场敏感。金刚石磁场传感器原则上比其他传感器技术具有许多优势。

  上图所示为防干扰的GPS定位系统。美国国防公司洛克希德·马丁公司的GPS金刚石磁力计,它不依赖于会干扰的外部源。该系统目前只有鞋盒大小,但可以缩小到冰球的大小,该磁力计可以用作不依赖外部信号的另一种GPS。通过使用金刚石磁力计的矢量功能来感应地球磁场的强度和方向而起作用。鉴于地球场的变化取决于在地面上的位置,因此可使用此信息来定位自己,而无需依赖可能被干扰的外部源。

  该传感器还可以反向使用以检测射频(RF)场。在此配置中,以受控方式将磁场梯度放置在含NV的金刚石上,然后提供已知的能级塞曼位移。当施加未知频率的微波信号时,在对应于该频率的位置处出现磁共振。这种方法的最大优势在于,可以一次测量并以高分辨率测量整个频谱(超过几十GHz)。该技术可用于5G网络中,以防止相邻基站之间的干扰。

  德国的金刚石公司正在使用金刚石来增强磁共振成像(MRI),将其从解剖学转变为类似于正电子发射断层扫描(PET)的分子成像方式。该技术的原理是将电子自旋从NV缺陷转移到目标分子的核自旋。将NV缺陷与目标分子紧密接触,然后用绿光照射,并施加微波源。然后,通过使用一系列微波脉冲,自旋可以从金刚石转移到目标分子的核自旋。核自旋持续足够长的时间,以允许将分子适用于患者和在MRI中具有高对比度的测量。

  金刚石现已确立为量子材料与量子技术革命的主要参与者,金刚石的量子未来已来。

  

来源:中国超硬材料网

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