本文選自《物理》2020年第5期
(鵬城實驗室 張飛昊、 清華大學 龍桂魯 編譯自Matthew Markham et al. Physics World,2020,(4):39)

金剛石廣泛用于婚姻紀念,在工業(yè)上的影響也無處不在。如今它迎來了有深遠意義的新應用:金剛石量子技術。
量子力學的誕生,導致影響我們生活的激光器和晶體管等技術的出現(xiàn),這些依賴于量子力學效應的技術為“量子1.0”。現(xiàn)在世界各國都在努力開發(fā)“量子2.0”技術,它依靠操縱和讀出量子態(tài)工作,利用量子疊加和糾纏。
量子技術的難點在于量子態(tài)太脆弱。理想情況下,這些態(tài)應該隔離,但是為了利用,還要與其發(fā)生相互作用??刂坪拖嗷プ饔弥g的平衡是量子科學家必須要走的鋼絲線。量子技術包括量子計算、模擬、通信和傳感。它對醫(yī)療保健、新材料開發(fā)也具有潛在影響。目前有不同的技術實現(xiàn)方案,如離子阱、超導、量子點、光子和半導體缺陷。每種方案都有優(yōu)點和缺點。離子阱量子性能優(yōu)異,但難集成;超導電路制作容易,卻需低溫下工作。金剛石折中了兩者的優(yōu)點:固態(tài)容易集成,且在室溫下工作。
量子金剛石對金剛石的許多研究都集中于識別碳晶格上的缺陷。一種缺陷是帶負電荷的氮空位(記作NV)缺陷。1997年德國J?rg Wrachtrup等展示了氮空位缺陷可在室溫下操作,引發(fā)了金剛石量子技術研究。用微波場掃描時,可觀測到NV 缺陷在綠光照射后的熒光變化,這就是NV 缺陷的光探測磁共振。當微波場與自旋量子數(shù)能級發(fā)生共振時,可觀察到熒光減弱,從而讀出缺陷的狀態(tài)。
接下來的十年里,世界上一些研究組也開始這項研究,想把金剛石作為量子比特來制備量子信息器件(如量子計算機)。這項研究開始用的是被稱為“神奇的俄羅斯鉆石”的天然金剛石。2006 年高純度金剛石樣品人工制備成功,使得更多的研究組加入研究。

圖1 微波輔助化學氣相沉積法制備高純單晶合成金剛石板材。每顆鉆石約為4×4×0.5 mm
2008年Wrachtrup團隊等提出并演示金剛石磁場傳感器。之后又陸續(xù)提出了許多關于氮空位缺陷的新應用。
金剛石是寬帶隙材料,其缺陷可用激光操作。氮空位中心與周圍晶格振動模式之間的相互作用異常微弱。金剛石的核自旋濃度低,缺陷的自旋軌道耦合弱,退相干效應作用小,因此可制備在室溫條件下退相干時間長達毫秒的樣品。
金剛石的氮空位缺陷并非完美。理想狀態(tài)下在637 nm處,所有發(fā)出的光子是無法分辨的。由于聲子的作用,發(fā)出的光子波長從637 nm到800 nm不等,這給實際應用帶來了挑戰(zhàn)。金剛石難于加工和做成大塊單晶。雖然科學家也在尋找其他材料,但尚沒有其他材料可以替代。
金剛石器件金剛石量子設備簡單,由綠色光源、金剛石、小型微波源和光電探測器就可組成基本裝置。其初始化和氮空位自旋讀出簡單,不需要專門的窄線寬激光器,甚至用綠色LED燈都可以。此外,由于可以檢測到光的波長(637—800 nm),還可用低成本的硅光電探測器讀出。簡單的演示裝置的價格只有幾千英鎊,但是要實現(xiàn)性能的最大優(yōu)化,還需要進行大量的工程設計。
研究基礎物理和量子計算對金剛石缺陷要求極其嚴格,每個缺陷要相同,以相同的波長發(fā)光。然而,應力會改變光的波長,使兩個氮空位缺陷產(chǎn)生差異。雖然可通過在缺陷附近施加電場的“斯塔克調諧”來使得發(fā)射波長一致,然而在測量過程中,氮空位周圍的局部電荷結構仍然會發(fā)生變化,導致波長偏移。盡管如此,還是取得了一些突破性的成果,如2015 年的“無漏洞貝爾不等式檢驗”。最近還報道了一個可儲存高達75 s 量子信息的10量子比特金剛石缺陷寄存器。
荷蘭代爾夫特理工大學Ronald Hanson 團隊正在研究使用金剛石中的氮空位缺陷作量子網(wǎng)絡的“量子中繼節(jié)點”。這是長距離量子通信的必須設備。
另一應用是微波激射器。微波激射器具有高增益、低噪聲等特點,被廣泛應用于射電天文和深空通信領域。由于在短時間內(nèi)非常穩(wěn)定,還可作為振蕩器應用于全球定位系統(tǒng)。目前的微波激射器系統(tǒng)體積有些龐大,結構復雜,甚至還要求低溫,要求金剛石處于高Q 腔中,外加磁場穩(wěn)定均勻,金剛石的溫度波動極小。這些工程上的困難都需要解決。
用金剛石探測金剛石磁場傳感器在很多方面優(yōu)于其他技術。就矢量傳感器來說,四個不同的氮空位軸向可以用來重建一個矢量場,有巨大的帶寬,對幾個量級的磁場很敏感,而且不需要特殊的磁屏蔽。由于NV缺陷的特性,容易測量到單個NV的強電子偶極發(fā)光,從而可以在納米尺度上測量磁場。雖然其競爭對手磁共振磁力儀同樣可做到這點,但它們本身的磁性會擾亂待測量系統(tǒng)。許多研究組正在用基于氮空位的工具進行材料表征。位于瑞士的Qnami 公司已在銷售氮空位缺陷金剛石探測儀。
利用NV 缺陷可提高設備靈敏度,但卻降低了空間分辨率。作為折衷,在高純度金剛石表面鍍上幾微米高含氮空位缺陷的金剛石用來對磁場進行成像,氮空位金剛石層的厚度決定了空間分辨率。
洛克希德馬丁公司一直致力于研發(fā)金剛石磁力計,它不依賴外部信號。該技術利用金剛石磁力計的矢量能力來探測地球磁場的強度和方向。地球磁場隨著人在地表的位置而變化,可以據(jù)此來進行定位。雖然沒有衛(wèi)星GPS 精確,但可與現(xiàn)有技術互補。

圖2 Lockheed Martin 公司為全球定位系統(tǒng)設計的金剛石磁力計。該系統(tǒng)只有鞋盒大小,還可縮小到冰球大小
這種傳感器還可反向檢測射頻場。施加一個可控的磁場梯度,產(chǎn)生已知的塞曼能級變化。當施加未知頻率的微波信號時,與該頻率相對應的位置就會出現(xiàn)磁共振。這種方法可一次測量得到高達幾十千兆赫的整個頻譜,且分辨率高。該技術用于5G網(wǎng)絡,可避免相鄰基站間的干擾。
德國的新興公司NVision 等正在使用金剛石來增強磁共振成像,將其從解剖學成像轉變?yōu)轭愃朴谡娮影l(fā)射斷層成像(PET)的分子成像。其原理是將電子自旋從氮空位缺陷轉移到目標分子的核自旋。核自旋持續(xù)時間長,有助于測量。
金剛石已經(jīng)成為量子材料應用的寵兒,在世界上有200 多個學術團體致力于其量子應用。研發(fā)金剛石量子技術的公司也越來越多。材料是這些技術的核心,但是需要大量工程工作來優(yōu)化設備。
設備開發(fā)另一個障礙是缺乏有經(jīng)驗的量子物理學家。英國、歐洲和美國等正在抽調量子科學家去提供幫助。最后一個難題是,金剛石量子技術本身的應用市場難以預估。但有一點是肯定的:它是這個時代的大勢所趨。
原文鏈接:《寶石量子革命》
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