阿贡科学家制造出极薄纯金刚石膜 未来有望成为量子传感材料一站式商店

北京时间5月30日消息（余予）钻石的亮蓝色是由其晶体结构中的小杂质造成的。类似的钻石杂质也给科学家带来了希望，他们希望创造出可用于量子计算和量子传感的材料。

在美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的新研究中，研究人员制造出来了极薄的纯金刚石膜。然而，在膜晶体结构的一些位置，研究小组用其他原子取代了碳原子，尤其是氮原子。这些缺陷与相邻的原子空位（原子缺失的区域）相连，从而产生了被称为 “色心”的不寻常量子系统。这样的色心是存储和处理量子信息的场所。

这项工作主要得到了美国能源部基础能源科学办公室、材料科学和工程部门的支持，并得到了由阿贡领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心Q-NEXT的支持。

阿贡的科学家们配备了一种廉价且容易的方法来制造具有坚固色心的金刚石膜的方法，他们希望建立一种流水线，为世界各地的量子实验生产大量此类膜。

该研究的主要作者、芝加哥大学研究生Xinghan Guo表示，培养膜的能力可能是加强致力于量子信息科学的不同实验室之间合作的基础。

“基本上，我们希望这最终将使我们有能力成为量子传感材料的一站式商店，”Guo表示。

“钻石中的缺陷对我们来说很有趣，因为它们可以被用于量子应用，”阿贡大学材料科学部和芝加哥大学普利兹克分子工程学院的科学家、Q-NEXT合作者Nazar Delegan表示，“制造这些膜使我们能够将这些缺陷与其他系统整合在一起，并实现新的实验配置。”

钻石机械坚硬、化学性质稳定且通常价格昂贵——换句话说，它是一种科学噩梦，众所周知的难以制造和整合。与此同时，钻石的特殊结构使其成为可以长时间存储量子信息的色心的绝佳宿主，Xinghan Guo表示。

“传统的金刚石作为基材非常难以使用，”他表示，“我们的膜更薄，更易于进行各种实验。”

研究人员制造的新型金刚石材料提供了更好的晶体和表面质量，从而能够更好地控制色心的相干性。

“您可以将薄膜剥离并放在各种基材上，甚至放在硅片上。这是一种廉价、灵活且简单的使用色心方法，无需直接使用传统钻石，”Guo说。

“因为我们能够控制和保持这些非常薄的材料中单个缺陷的量子特性，这使得该平台有望成为量子技术的基础，”Delegan表示。

基于该研究的论文以《用于集成量子技术的可调谐和可转移的金刚石膜（Tunable and transferable diamond membranes for integrated quantum technologies）》为题于2021年12月13日在《Nano Letters》在线发表。除了Delegan和 Guo，该研究的其他作者还有Jonathan Karsch、Zixi Li、Tinale Liu、Robert Shreiner、Amy Butcher、David Awschalom、F. Joseph Heremans和Alexander A. High。

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