2022
06/30
相关创新主体

创新背景

金刚石晶格中的点缺陷(例如氮空位色心,硅空位色心等)有在众多实际应用中推广的巨大潜力,包括量子信息处理,量子计算,量子光学,和量子传感等。期中,由于氮空位(NV)色心具备独特的室温量子性质而倍受关注。同时NV色心能够在纳米尺度的金刚石颗粒中稳定存在,使得这些包含NV色心的纳米金刚石颗粒作为多功能纳米粒子应用于众多领域中。例如,作为纳米尺度的探针用于测量单细胞内的温度和磁场;作为荧光标记在生物体内追踪生物动力学过程等等。

在实际应用中,人们往往需要精确地操控含有NV色心的纳米金刚石颗粒以开发它们的全部能力。因此,精确地将纳米金刚石颗粒放置于空间中的合适位置变得极为重要。然而这一点很难做到,因为纳米金刚石颗粒之间存在较大的差异:现有的制造方法导致每颗纳米金刚石颗粒都具有独特的形貌,尺寸和表面性质。

 

创新过程

发表在《先进科学》(Advanced Science)上,由香港大学机械工程系Ji Tae Kim教授和香港大学电机电子工程系Zhiqin Chu教授领导的题为“On-Demand, Direct Printing of Nanodiamonds at the Quantum Level”(DOI:10.1002/advs.202103598)的研究文章,通过程序控制的纳米级精度的打印方法,打印出金刚石纳米颗粒中的氮-空位色心,实现了对含有甚至是单个NV色心的纳米金刚石颗粒的高精度控制。该技术将为制造量子讯息处理器和生物传感器等量子器件,开拓出一条实用且具经济效益的出路。

这个操作简单的方法具有广泛的适用范围,不仅适用于各种基底,也适用于含有不同浓度或不同色心种类的纳米金刚石颗粒。研究表明,打印的纳米金刚石数量可以控制在单颗粒水平,且打印位置的空间误差可以控制在127纳米以下。相关成果发表在《先进科学》(Advanced Science),该技术被选为期刊底面的当期精选故事,并已申请美国专利发明。

氮-空位色心(NV色心)是一种在金刚石(钻石的原石)晶体结构中最常见的点缺陷,是当前最具代表性的量子体系。NV色心是原子级别的固态设备,作为重要的量子材料,它拥有光学可调的自旋自由度,在固态量子处理器中具有量子比特和量子探测器等核心功能。

现今的量子材料加工十分困难,不少量子材料只能在极低温(−150°C至绝对零度−273°C)环境下进行操作。由于金刚石(钻石原石)中的NV色心在室温下也具有强力的量子态,因此这对于实现室温量子器件来说十分重要。

要实现相关应用,对量子技术的一个核心要求是要在集成电路上精准地放置单个NV色心。 这一技术突破将带动量子计算机、量子通讯和量子生物感知等重要新兴领域的发展。但目前技术阻碍主要包括定位精度粗糙、通量低和工艺复杂等问题。现有的几种方案将具有NV色心的纳米金刚石颗粒,定位在各种基板和电路上,当中包括复杂的“拾取和放置”纳米操作方法,效果并不理想。钻石作为最坚硬的材料很难加工。此次研究的新方法足以应对这一难题,团队通过对含有纳米金刚石的亚公升液滴(<10的负18次方升)进行电控的分发,直接将NV色心放置在通用的基底上。

 

创新价值

本次研发的新技术能体现出亚波长的定位精度、单缺陷级的数量控制水平和自由图案化的能力,满足相关的技术要求。这种新颖的方法将为制造量子信息处理器、量子计算器和生物传感器等量子器件,开拓出一条实用且具经济效益的出路。

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