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原素六:CVD金钢石在量子技术中的新运用

2020-08-22

咋听起来,培育钻石很多人 会觉得怪异,钻石这一人们的珍贵修装饰品,如何又跟量子科技新时期连到了一起?钻石不但是好看的晶石,它还具备很多远远地超过其美丽的诱惑力的特点。这类独特方式的碳如今具备很多具体的量子科技运用,已经与将要出現的钻石量子科技新运用可能造成更为刻骨铭心的危害,专家称作金钢石量子技术(Diamond Quantum Technologies)。


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      在20世纪之交,专家勤奋掌握微观世界是怎样工作中而結果造成了物理学,进而自主创新了大家如今的生活起居,比如激光器、晶体三极管、手机上、电脑上等,它是取决于物理学功效的“量子科技1.0”技术革命。如今进到二十一世纪,专家在试着发展趋势下一波自主创新,“量子科技 2.0”技术革命取决于控制和载入量子态,运用累加和纠缠不清的量子效应。


       当今,已经对于这次创新科学研究的很多技术性解决方法,比如纳米管、受困正离子、量子点技术、光子美容和半导体材料中的缺点。每个技术性都是有分别优点和缺点。捕捉的正离子具备优异的量子科技特性,人工合成钻石但集成化起來具备趣味性;超导体电源电路能够生产制造,但只有在超低温下工作中。这时,金钢石原材料突 颖而起,由于有利于根据使其更便于集成化到电子产品中的固体化,并在室内温度下工作中,而出示了充分发挥的技术性解决方法。


       量子科技金钢石


       对金钢石的很多量子科技应用研究集中化在鉴别能够在碳晶格常数中发觉的数百种不一样缺点。一种那样的缺点是带负电的氮位置缺点,称之为NV缺点。一九九七年,法国开姆尼茨理工大学的科学研究证实,能够控制单独NV缺点并在室内温度下出示电子光学輸出。这一发觉引起了金钢石量子技术行业。该全过程称之为电子光学检验核磁共振(ODMR),因为NV缺点,在扫描仪释放的微波加热场时,在对单独NV缺点或他们的结合直射绿色光后精确测量莹光转变时,根据精确测量莹光抗压强度,能够读取缺点的磁矩情况。


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       如圖所显示的NV缺点。一个极致的反复氧原子的棱形晶格常数。去除2个邻近的分子,随后用氮更换一个分子(图上亮蓝色),生成钻石而另一个维持“空”或位置(淡蓝色)。它是金钢石中的中性化氮位置缺点,它能够具备四个不一样的晶体学趋向。假如晶格常数周边存有另一个缺点,该缺点中的电子能量较高,一般是一个沒有位置的取代氮,则该电子器件将迁移到氮位置上,使其带负电荷。


       与带负电荷的氮位置(NV)缺点有关的电子器件占有了位置周边的悬在空中键,因而其电子能级与捕捉正离子中的电子能级类似。这种NV缺点具备的动能水准特殊组成,促使不管激发态磁矩的电子器件刚开始,一旦结晶与翠绿色光直射时,会根据动能水准周期时间与在统计分析上更很有可能进到磁矩情况,使电子器件紧紧围绕该环路循环系统充足的频次,磁矩将合理地两端对齐。一旦处在激发态,就可以根据释放微波加热和进一步的光单脉冲来控制NV缺点以开展量子科技试验。运用了缺点所传出的视度是“亮”或“暗”的客观事实,精确测量时其激发态的磁矩。


       在接下去的十明年里,专家运用此项技术性,期待将金钢石作为量子信息机器设备,比如量子计算机中的量子比特或“量子比特”。另外,很多企业刚开始开发技术性,以运用微波加热輔助有机化学 液相堆积技术性为工业生产运用生产制造高纯生成单晶体金钢石,如下图所显示大批量生产的4×4×0.5mm的高纯生成单晶体金钢石。


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原素六CVD金钢石


       法国斯图加特高校及其哈佛大学的研究表明,能够将金钢石用以制做一个磁性传感器,在其中NV缺点的电子光学輸出的色度在于磁感应强度,进而明确提出了很多应用NV缺点的新运用。金钢石往往能出示这般优异的量子科技缺点寄主,是由于其分子结构。比如,金钢石是一种光纤宽带隙原材料,这代表着它能够在电子光学情况下根据越迁动能来容下一系列缺点,进而使这种缺点可以用现有的激光器开展解决。


       金钢石机器设备


       根据金钢石钻石的量子科技机器设备的优势之一是其简易性。基础机器设备能够由翠绿色灯源、金钢石、中小型微波加热源和光电探测器做成。这是由于合理的电子光学复位和NV磁矩的载入全过程不用专业的窄图形界限激光发生器,乃至能够应用简易的翠绿色LED。


       西班牙代尔夫特理工学院的生物学家将金钢石中的NV缺点作为100%安全性量子科技互联网技术中的“量子科技发送器连接点”。在那样的互联网中,量子点技术被机械设备地纠缠不清在一起,进而创建了一条从源到信号接收器的链,能够在长距离上传送量子信息。


       另一个新起的运用是根据金钢石的激射器,它创造发明于1950时代,并不象激光器那般普遍应用,但仍具备很多无法估量的运用。微波激射器以其功率放大和非常低的噪音而被用以射电天文学和太空通讯。他们在短期内范畴内这般平稳,因而还能够作为震荡器,进而完成卫星导航系统需要的高精密定时执行。


       运用金钢石传感技术检测


       金钢石电磁场感应器正常情况下比别的传感技术具备很多优点。比如,它是一个原有的矢量素材感应器,因为它沿NV缺点的轴很比较敏感,这代表着能够应用四个不一样的NV方位来重新构建矢量素材场。它还具备极大的网络带宽,对好多个量级的电磁场比较敏感。金钢石电磁场感应器正常情况下比别的传感技术具备很多优点。


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       图中所显示为防影响的GPS定位系统软件。英国国防安全企业洛克希德·乔治企业的GPS金钢石磁力计,它不依靠 于会影响的外界源。该系统软件现阶段仅有鞋盒、纸盒尺寸,但能够变小到羽毛球的尺寸,该磁力计能够作为不依靠外界数据信号的另一种GPS。根据应用金钢石磁力计的矢量素材作用来磁感应地磁场方向的抗压强度和方位而起功效。由于地足球场的转变在于在路面上的部位,因而可应用此信息内容来精准定位自身,而不用依靠很有可能被影响的外界源。


       该感应器还能够反方向应用以检验频射(RF)场。在这里配备中,以可控方法将电磁场梯度方向置放在含NV的金钢石上,随后出示己知的电子能级塞曼偏移。当释放不明頻率的微波加热数据信号时,在相匹配于该頻率的部位处出現核磁共振。这类方式的较大优点取决于,能够一次精确测量并以高像素精确测量全部频带(超出几十GHz)。该技术性可用以5G互联网中,以避免邻近通信基站中间的影响。


       法国的金钢石企业已经应用金钢石来提高核磁共振成像(MRI),将其从人体解剖学变化为类似正电子发送断层扫描(PET)的分子结构显像方法。该技术性的基本原理是将电子自旋从NV缺点迁移到总体目标分子结构的核磁矩。将NV缺点与总体目标分子结构密不可分触碰,随后用绿色光直射,并释放微波加热源。随后,根据应用一系列微波加热单脉冲,磁矩能够从金钢石迁移到总体目标分子结构的核磁矩。核磁矩不断充足长的時间,以容许将分子结构适用病人与在MRI中具备高对比度的精确测量。


       金钢石已经建立为量子科技原材料与量子技术改革的关键参加者,金钢石的量子科技引领未来。


       文章内容创作者为:原素六的Matthew Markham博士研究生和Daniel Twitchen博士研究生

       全文连接:https://physicsworld.com/a/the-diamond-quantum revolution/

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