300629新劲刚也是量子技术

300629新劲刚也是量子技术

转载：基于金刚石的量子物理前沿技术
----这篇文章中，Daniel Twitchen和Matthew Markham解释了为什么碳的最具吸引力的同素异形体（译者注：金刚石）可能会成为量子物理学家最好的朋友。

量子缺陷
在20世纪，许多改变世界的科技都是基于量子力学的，包括半导体 ，激光和其他现在普遍存在的设备。然而，在整个第一次量子革命中，量子物理学的一个关键特性——叠加态——在很大程度上仍然存在于实验室中，与其说是在研究它可能的应用，倒不如说研究它纯粹是出于科学家的好奇心。
然而，由于一些旨在实现第二次量子革命的重要举措，使得这种情况即将发生变化。这场革命成功的关键是掌握能够“轻松”设计和控制量子比特的能力。对于“轻松”这个词，我们必须很谨慎，因为初始化量子态并长时间的保持在叠加态是一项艰巨的任务。科学家正在尝试许多不同的方法，使用各种材料进行相关方面的竞争，如超导体，合成金刚石，冷原子和量子点等等。但是，无论是对量子计算还是其他应用，如磁场感应，金刚石确实具有一些吸引人的优势。
化“短”为长
吸引量子准革命者的金刚石中存在一个缺陷，这个缺陷位于规则的碳原子晶格中。该缺陷由单个氮原子和缺失的碳原子或者空位相结合而组成。除了其他性质，氮空位（NV）中心具有独特的光学吸收和发射性质，它使金刚石具有红色到粉红色的颜色——这些特性长期以来一直是晶体结构基础研究的焦点。
除了其不寻常的光学特性外，负电荷状态下的NV中心在其基态下也具有电子自旋S = 1。值得注意的是，处于这个态的电子自旋可以在室温下被控制和读出。原因在于，与大多数材料不同，金刚石中的晶格形成低噪声环境，因此不会丢失脆弱的量子特性，并且可以更长时间的存储和探测信息。当系统被微波辐射激发时，可以通过测量由NV中心发出的光的强度来读出自旋状态。在NV中心2.88 GHz的共振频率下，自旋状态将从0翻转到+1或-1，导致发出的红光强度出现一个下陷。
这种自旋状态的稳健性和易读性使得NV金刚石成为各种量子技术的一个非常有应用前景的平台，潜在的应用有（量子）安全通信，（量子）计算，（量子）成像和（量子）传感等。最近金刚石界的重点研究领域之一是使用NV缺陷来测量磁场。由于塞曼相互作用，NV金刚石中0→1和-1→0微波跃迁的频率之间的间隙随着磁场的增加而增加。因此，在最简单的情况下，可以通过将NV中心暴露于不同频率的微波中并测量发光强度两个下陷之间的（频率）间隔来估计磁场的大小。值得注意的是，这种类型的测量基本可以在室温下使用单个NV中心进行。对于多个NV中心，金刚石晶格的几何特性意味着可以对磁场的方向及其大小进行极其灵敏的测量。

（基于NV金刚石的）精密工程技术
原料
当然，已经存在许多估量磁场的技术。这些技术包括超导量子干涉装置（SQUID），蒸汽室，磁通门传感器和构成现代智能手机中指南针 的霍尔效应传感器。然而，基于SQUID的磁力计必须进行低温冷却，（冷却设备）使这种磁力计变得相对笨重，而且增加了运行成本。而其他传感器技术需要频繁重新校准，并且只能在有限的频率带宽里面来测量变化的磁场。相比之下，基于NV金刚石的传感器不需要重新校准，具有宽带宽，可以集成到轻便、低功耗的设备中。重要的是，由于高空间分辨率的微观探针，NV中心可以用来构建材料表面上的磁场图。由于这些原因，基于金刚石的磁力计既可作为现有技术的替代品，也可以促进全新技术的应用。
然而，要使这些应用成为现实，我们需要现成的高品质NV金刚石。NV中心在天然金刚石中很少见，如果仅限于使用单个样品，则很难进行大量研究。 我们可以使用化学气相沉积（CVD）合成生长NV金刚石。该过程包括用氢气，甲烷和氮气的混合物填充微波室，并将其加热至2500-3000K以产生等离子体。来自等离子体的碳原子逐层沉积在腔室中的金刚石“种子”表面上，这个“种子”最终会成为新金刚石的核。氢会使表面稳定，促进沉积的碳原子形成金刚石而不是石墨，而氮充当掺杂剂，使得形成NV中心成为可能。
上面的这一过程使我们能够以可控和可扩展的方式生长金刚石，其纯度远远超过天然金刚石。它还可以控制NV中心的数量。在高纯度条件下，通过生长过程中的化学作用产生少量的NV中心。因为这些孤立的空位可以在实验中单独探测，因此这种类型的NV金刚石非常适合用于进行量子计算。磁感应应用需要更多的NV中心，这一目标可以通过增加合成过程中的氮浓度，然后用高能电子轰击晶体来创造额外的空位来实现。将金刚石加热到800°C会使这些空位通过晶格迁移，直到它们遇到氮原子才会停止迁移; 此时，NV中心具有比单独的氮和空位更低的势能，因此这种结构会变得十分稳定。
潜在的应用
金刚石量子技术非常有前景，许多应用已经处于概念性验证阶段。这些包括材料表征中的应用，例如用于下一代磁性硬盘驱动器的写头的纳米级成像，以及生物成像。新的压力和温度传感方法，以及基于金刚石的量子计算的可能性，使这一研究领域变得激动人心而且成果累累。
我们相信金刚石将依旧是我们理解量子世界的有用工具。然而，真正令人兴奋的是基于这种理解能够实现的技术。 2016年底，由美国哈佛大学的Ron Walsworth领导的一组研究人员利用金刚石中的NV中心研究海洋蠕虫中的神经元活动，测量具有高空间分辨率的单个神经元的微小磁脉冲。没有其他现有技术能够以如此高的灵敏度和分辨率进行测量; 标准核磁共振成像的最大空间分辨率约为1 立方毫米，理论上基于金刚石的磁场感应可以为我们提供化学反应过程中细胞水平（译者注：1-100微米之间）的图像。有了这种原理验证性的实验，在理解大脑如何工作方面我们希望能获得突破，并且能够发展出新的诊断和治疗方案。