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从钻头到量子传感器人造钻石是设计师的最佳朋友张惠春


2022年10月22日

从钻头到量子传感器,人造钻石是设计师的最佳朋友

走向人造钻石的道路

钻石展现了化学,物理,热学和机械性质的独特组合,这促使许多科学家复制自然来制造钻石。以合成方式生产这种材料的最初尝试可以追溯到20世纪50年代,并且导致使用高压高温合成的第一个人工生产的钻石。这种HPHT钻石成为建筑行业非常重要的商业材料,利用HPHT金刚石的物理硬度进行切割,锯切和钻孔

随后,开发了用于在其热稳定域之外制造人造金刚石的低压合成方法,旨在通过使用化学气相沉积来潜在地扩大规模。这允许第一次在十分之几毫巴的低压下生长金刚石。来自哈瑟尔特大学的imec研究小组IMO-IMOMEC的Milos Nesladek说:“基本上,这个CVD过程涉及一系列气相和表面化学反应,使用甲烷和氢气作为主要气体成分形成金刚石材料。这种制造人造金刚石的方法可以显着提高材料的纯度。今天,人造金刚石晶体可以比最好的天然水晶一千倍和更纯净。“

IMO-IMOMEC在将金刚石沉积在各种基材上以及了解所用沉积条件,晶体质量和材料特性的影响方面有着悠久的历史记录。“总的来说,人造钻石的特性在很大程度上取决于制造工艺的微妙细节”,Milos Nesladek补充道。“一些人造钻石具有硬度,热性能或电子性能等特性,甚至优于大多数天然形成的钻石。”

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远远超出建筑行业,钻石合成生产的发展已经实现了惊人的应用 - 每个都利用了这种'奇迹'材料的不同特征。第一个例子是圆顶形CVD金刚石膜的实现,以取代专用的高端音频组件中的传统扬声器膜。在这种应用中,金刚石的高杨氏模量 - 材料刚度的度量 - 允许膜在高声频下工作。

Milos Nesladek:“其他例子包括用于电化学处理的金刚石基电极,它依赖于重掺硼金刚石的高导电性和低腐蚀性。并且,在高波长范围内光学透明,高纯度CVD金刚石在船舶工业中被用作用于红外激光切割钢板的光学窗口。Diamond也是一款出色的散热片,这激发了科学家们将金刚石散热片与氮化镓结合使用,并制造出基于金刚石的GaN基功率器件。使用金刚石可显着降低半导体温度,同时保持功率晶体管的性能,即使在高工作频率下也是如此。“

用于磁场检测的量子传感器

制造12C同位素纯化金刚石的能力为激动人心的新型量子技术应用打开了大门。这些应用的关键是形成晶格点缺陷 - 氮空位中心 - 采用超纯CVD金刚石晶体设计。该缺陷中心具有电子自旋状态,其行为类似于单个自旋量子位 - 经典位的量子 - 物理等效物。这种量子比特的主要特征在于例如由超导材料或被捕获的离子等制成的量子比特,是其在环境条件下操作的能力。

IMO-IMOMEC的研究人员用人造钻石制作了电可读的量子比特。 这些照片显示了安装在微波板上的金刚石量子器件,用于在脉冲绿色激光照射下进行量子比特寻址,从而提供自旋初始化。

IMO-IMOMEC的研究人员用人造钻石制作了电可读的量子比特。 这些照片显示了安装在微波板上的金刚石量子器件,用于在脉冲绿色激光照射下进行量子比特寻址,从而提供自旋初始化。

IMO-IMOMEC的研究人员用人造钻石制作了电可读的量子比特。这些照片显示了安装在微波板上的金刚石量子器件,用于在脉冲绿色激光照射下进行量子比特寻址,从而提供自旋初始化。

Milos Nesladek和他在IMO-IMOMEC的同事们主要使用钻石中的NV中心来开发用于磁场检测的量子传感器。“在这些应用中,与NV中心相关的旋转在运行期间经历了旋转”,Milos Nesladek解释道。“如果存在与外部磁场的相互作用,则转换为可以使用量子协议测量的相位延迟。基于这种相位延迟,可以比任何现有设备更精确地确定外部磁场。“

到目前为止,在室温下读取这些固态量子位的自旋状态只能使用庞大的光学设置进行光学处理。最近,IMO-IMOMEC的研究人员发现了一种解决电子单一NV中心的方法,如“科学杂志”所述。希望这一发现将为器件小型化和半导体平台集成带来重大进步,并将推动紧凑型磁力计和其他应用的制造。

从电池监控到医疗诊断

用于电磁场检测的金刚石量子传感器有可能成为市场上第一个量子器件。一种有前途的工业应用是对电动汽车中电池经济性的非常准确的监控。测量电池充电状态的一种常用方法是库仑计数 - 基于测量流入和流出电流。但传统的基于线圈的方法无法非常准确地测量这些电流。通过使用高灵敏度的金刚石量子传感器可以克服这一挑战。通过这种精确监控,可以更准确地预测电动汽车的行驶里程。这引起了电动汽车生产商的兴趣。

量子传感器是用于卫星导航的巨磁阻设备的更灵敏的替代品。Milos Nesladek:“量子传感器的灵敏度可以超过GMR,大约为千倍,而矢量运算可以在地球磁场中实现精确导航。然而,为了与今天的GMR设备竞争,研究人员需要提高钻石量子传感器的成本效益。“

最后,超纯金刚石中固态量子位的工程可用于在芯片上实现核磁共振器件。这些核磁共振实验室芯片设备可用于亚纳米级体积中的分子化学分析,可用于药物开发或医学诊断。对于某些应用,它们可以取代目前存在的庞大,昂贵且灵敏度较低的NMR设置。“这些量子器件背后的技术目前正在许多欧洲项目中进行探索,涉及IMO-IMOMEC的合作,”Milos Nesladek表示。“与此同时,这个领域的初创企业也出现了。预计首批商用片上核磁共振器件将在五年内上市。“

在量子计算竞赛中

目前有许多用于量子计算机的候选平台,包括捕获离子,超导量子位,集成光子学,硅中的掺杂剂和电子量子点,每个都具有非常特别的优点。所有这些都在低温下运行。

然而,对于最具可扩展性和工程系统的竞争是开放的,并且诸如金刚石或SiC的固态量子比特将具有很大的优势,因为它们可以在环境中工作。然而,今天,“钻石”量子比特平台面临一些挑战。更具体地,量子处理器利用若干特性,包括量子叠加和纠缠。这使他们能够有效地解决当前计算机无法访问的问题。

实现钻石中可扩展的叠加和纠缠是问题的瓶颈。Milos Nesladek:“首先,需要将NV中心放置在非常近的距离,以实现中心之间的有效耦合。这需要高分辨率光刻技术。其次,环境下的单发旋转读数是将NV中心建立为可行的量子位候选者的关键能力。但是今天,我们在室温下读取NV中心自旋状态的概率仅为30%。为了增加这种可能性,读出操作应该重复多次。

然而,在中等低温,即5-10开尔文,这个概率可以达到接近100%。因此,我们需要能够提高室温下自旋状态读数概率的技术。今天,我们正在处理这两个问题,我很乐观我们很快就能解决它们。什么是最好的量子系统的竞争仍然是开放的,我认为钻石的NV中心可能有很好的机会......“

Milos Nesladek和他在IMO-IMOMEC的团队,包括Emilie Bourgeois,Michal Gulka和Tanmoy Chakraborty。 几位博士生

Milos Nesladek和他在IMO-IMOMEC的团队,包括Emilie Bourgeois,Michal Gulka和Tanmoy Chakraborty。几位博士和硕士生参与了这项工作,即Jaroslav Hruby,Jelle Vodnik和Jeroen Prooth。该团队与来自imec的Iuliana Radu小组合作,后者使用硅作为量子计算机技术的基础。

该项目得到了欧盟地平线2020研究和创新计划的资助,该计划来自授权协议No 820394,来自FWO的DIAQUANT SBO项目S004018N和Q-Magine,量子框架中的ERA-NET项目旗舰。

关于作者

Milos Nesladek博士获得了硕士学位。他拥有布拉格查理大学数学与物理学院的学位,以及捷克学术科学的博士学位,与KU Leuven在半导体电子传输领域的合作。他是哈瑟尔特大学物理学教授,也是哈瑟尔特大学imec研究小组IMO-IMOMEC的工作人员。他是各种形式的CVD金刚石晶体生长领域的先驱科学家之一,在过去的30年里一直处于该领域。Nesladek教授的研究课题涉及凝聚态物质系统中的光电导,重点是宽带隙半导体。这项研究的一个例子是基于顺磁自旋中心在金刚石中开发光电读取固态Q位。教授 Nesladek参与了许多欧盟项目,从基础物理到工业发展项目,其中一些是他协调的。Nesladek教授是多个会议委员会的成员,他是量子旗舰的量子社区网络的比利时代表。Nesladek教授发表了300多篇科学论文,并撰写了几本书。他是钻石相关材料的相关编辑。

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