新技術(shù)以納米級精度打印含有NV色心的納米金剛石

 (原新聞稿已于4月24日發(fā)布)

鉆石不僅僅是漂亮的寶石，對物理學(xué)家而言，鉆石中的瑕疵更具吸引力。

NV色心（nitrogen-vacancy centres）是一種在金剛石（鉆石的原石）晶體結(jié)構(gòu)中最常見的點缺陷，是當(dāng)前最具代表性的量子體系。NV色心是原子級別的固態(tài)設(shè)備，擁有光學(xué)可調(diào)的自旋自由度，在固態(tài)量子處理器中發(fā)揮量子比特和量子探測器等核心功能，是重要的量子材料。

現(xiàn)今的量子體系，例如超導(dǎo)量子干涉儀，只能在極低溫環(huán)境下進(jìn)行操作（?150°C/ ?238°F至絕對零度?273°C/  ?460°F)。由于NV色心在室溫下也具有強(qiáng)力的量子態(tài)，這對于實現(xiàn)室溫量子器件尤其重要。

要實現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用，對量子技術(shù)的一個核心要求是要能在集成電路上精準(zhǔn)地放置細(xì)至單個的NV色心。而相關(guān)的技術(shù)突破，勢將帶動量子計算機(jī)、量子通訊和量子生物感知等重要新興領(lǐng)域的發(fā)展。

目前的主要技術(shù)阻礙，在于定位精度粗糙、通量低和工藝復(fù)雜等問題。現(xiàn)行有好幾種方案，用于將具有NV色心的納米金剛石顆粒定位在各種基板和電路上，當(dāng)中包括復(fù)雜的“拾取和放置”納米操作方法，但效果并不理想。

香港大學(xué)（港大）工程學(xué)院機(jī)械工程系Ji Tae Kim博士和電機(jī)電子工程系褚智勤博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊，開發(fā)了一種納米級精度的打印方法，以量子水平打印出金剛石納米顆粒中的NV色心。

褚智勤博士（左）和Ji Tae Kim博士

研究成果已在學(xué)術(shù)期刊Advanced Science發(fā)表，論文題為“On-Demand, Direct Printing of Nanodiamonds at the Quantum Level”，新技術(shù)獲挑選為期刊底面的當(dāng)期精選故事。這項發(fā)明已申請美國專利。

Advanced Science期刊底面的當(dāng)期精選研究

“鉆石是最堅硬的材料，因此很難加工”

新方法足以應(yīng)對此難題，研究團(tuán)隊通過對含有納米金剛石的亞公升液滴（< 10-18 升）進(jìn)行電控的分發(fā)，直接將NV色心放置在通用的基底上。

在量子水平上打印的NV色心。 a) 共聚焦熒光圖像。 b) 相應(yīng)熒光點的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)g(2)(τ)。 c) 每個點所打印的 NV 色心的數(shù)量分布直方圖。

「當(dāng)前十分需要一種通用并且靈活的用于實現(xiàn)納米級精度、并兼具優(yōu)良可擴(kuò)展性、可控成本以及與廣泛的納米光子電路可兼容的金剛石顆粒定位方法。我們研發(fā)的新技術(shù)，能體現(xiàn)出亞波長的定位精度、單缺陷級的數(shù)量控制水平和自由圖案化的能力，滿足相關(guān)的技術(shù)要求。這種新穎的方法將為制造量子訊息處理器、量子計算器和生物傳感器等量子器件，開拓出一條實用且具經(jīng)濟(jì)效益的出路。」褚智勤博士說。

“On-Demand, Direct Printing of Nanodiamonds at the Quantum Level” 論文連結(jié)：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202103598

期刊底面精選故事：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202270032