新型鉆石量子傳感器面世 磁場(chǎng)探測(cè)靈敏度提升40倍
2025-12-05 08:40:30化工儀器網(wǎng)閱讀量：16021 我要評(píng)論
近日，美國(guó)普林斯頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在最新一期《自然》雜志發(fā)表重磅成果，成功研發(fā)出基于工程化鉆石缺陷的新型量子傳感器。該設(shè)備磁場(chǎng)探測(cè)靈敏度較現(xiàn)有技術(shù)提升約 40 倍，首次實(shí)現(xiàn)對(duì)凝聚態(tài)材料中 “不可見” 隱秘磁波動(dòng)的直接觀測(cè)，為石墨烯、超導(dǎo)體等前沿量子材料的研究開辟了全新路徑。據(jù)悉，這項(xiàng)研究由普林斯頓大學(xué)Nathalie de Leon主導(dǎo)，普林斯頓大學(xué)Jared Rovny、加州大學(xué)伯克利分校Shimon Kolkowitz深度參與完成。
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這款量子傳感器的核心依托是實(shí)驗(yàn)室培育的超高純度鉆石。與天然鉆石相比，這種人工鉆石純度極高，其晶格缺陷被精確控制在極致微小的范圍，數(shù)十億個(gè)原子組成的晶格中僅缺失一個(gè)原子。這些精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的晶格缺陷因能與磁場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈相互作用，成為構(gòu)建高性能磁場(chǎng)傳感器的理想載體。
團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵創(chuàng)新在于鉆石表面的氮空位中心設(shè)計(jì)。研究人員在鉆石表面植入兩個(gè)間距僅 10 納米的氮空位中心，使其形成量子糾纏狀態(tài)。氮空位中心是鉆石晶格中氮原子替代碳原子后與相鄰晶格空位組成的點(diǎn)缺陷，兼具自旋相關(guān)光致發(fā)光特性與室溫下的長(zhǎng)自旋相干性，這種糾纏的雙探針如同協(xié)同工作的精密探測(cè)器，可從復(fù)雜噪聲背景中精準(zhǔn)提取磁信號(hào)，這也是靈敏度大幅提升的核心原因。不同于以往研究依賴的原子陣列等理想體系，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在真實(shí)材料中直接探測(cè)磁現(xiàn)象的突破。
氮空位中心的植入過程攻克了極高的技術(shù)難關(guān)。團(tuán)隊(duì)采用高速轟擊技術(shù)，以每秒超過 3 萬(wàn)英尺的速度將氮分子射向鉆石表面，使氮分子解離為兩個(gè)氮原子，并在可控能量作用下精準(zhǔn)穿透至鉆石表面下 20 納米處。這種對(duì)植入深度與間距的精準(zhǔn)把控，促使氮原子電子自發(fā)形成量子糾纏，成為傳感器實(shí)現(xiàn)超高靈敏度探測(cè)的關(guān)鍵所在。
借助這一技術(shù)突破，研究人員首次在原子尺度至可見光波長(zhǎng)的關(guān)鍵區(qū)間，捕捉到此前難以觀測(cè)的磁噪聲與電子行為。觀測(cè)內(nèi)容不僅包括電子在材料中的傳播與散射過程，還涵蓋了超導(dǎo)材料特殊條件下出現(xiàn)的磁通渦旋演化現(xiàn)象。磁通渦旋作為 II 型超導(dǎo)體中攜帶磁通量子的離散結(jié)構(gòu)，其動(dòng)力學(xué)特性對(duì)超導(dǎo)磁體穩(wěn)定性至關(guān)重要，此次觀測(cè)為解析超導(dǎo)材料特性提供了全新視角。
研究團(tuán)隊(duì)表示，這款新型量子傳感器未來(lái)將聚焦非常規(guī)超導(dǎo)、拓?fù)淞孔討B(tài)等前沿課題研究。作為量子傳感領(lǐng)域的突破性成果，其不僅突破了傳統(tǒng)傳感器的精度天花板，更將為下一代量子材料的設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，推動(dòng)量子科技在材料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用邁上新臺(tái)階。
資料來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)、Nature
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