從化學(xué)層面來(lái)看，鉆石不過(guò)是排列在一個(gè)精確的三維晶格中的碳原子。然而，即使是看似完美無(wú)瑕的鉆石也有缺陷: 晶格中缺少碳原子或被其他東西取代的點(diǎn)。其中一些缺陷是非常可取的; 它們捕獲可吸收或發(fā)射光的單個(gè)電子，從而鉆石中產(chǎn)生各種各樣的顏色，更重要的是，為高級(jí)計(jì)算，安全通信和精確傳感創(chuàng)建各種量子技術(shù)平臺(tái)。

寬砂帶,鋯剛玉砂帶,碳化硅砂帶,堆積磨料砂帶,陶瓷磨料砂帶,棕剛玉砂帶

量子技術(shù)基于稱為“量子比特”的量子信息單位。電子自旋是作為量子位的主要候選者; 與數(shù)據(jù)僅采用0或1的形式的二進(jìn)制計(jì)算系統(tǒng)不同，電子自旋可以在量子疊加中同時(shí)將信息表示為0、1或兩者。量子科學(xué)家對(duì)鉆石的量子位元特別感興趣，因?yàn)樗鼈兊牧孔恿W(xué)性質(zhì)(包括疊加)是在室溫下存在的，而不像其他許多潛在的量子資源。

賓夕法尼亞大學(xué)工程師設(shè)計(jì)了一種方法來(lái)模擬鉆石表面，使其更容易從內(nèi)部缺陷中收集光線。 這種表面結(jié)構(gòu)稱為超透鏡，包含納米級(jí)特征，可以彎曲和聚焦缺陷發(fā)出的光，盡管它實(shí)際上是平的。

寬砂帶,鋯剛玉砂帶,碳化硅砂帶,堆積磨料砂帶,陶瓷磨料砂帶,棕剛玉砂帶

該研究由電子與系統(tǒng)工程系助理教授Lee Bassett，研究生Tzu-Yung Huang和Bassett實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Richard Grote領(lǐng)導(dǎo)。Bassett Lab的其他成員David Hopper，Annemarie Exarhos和Garrett Kaighn也為這項(xiàng)工作做出了貢獻(xiàn)，辛格納米技術(shù)中心業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Gerald Lopez以及阿姆斯特丹納米光子學(xué)中心的兩名成員Sander Mann和Erik Garnett也做出了貢獻(xiàn)。

利用量子系統(tǒng)潛在能量的關(guān)鍵是能夠創(chuàng)造或發(fā)現(xiàn)能夠可靠操縱和測(cè)量電子自旋的結(jié)構(gòu)，考慮到量子態(tài)的脆弱性，這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。Bassett的實(shí)驗(yàn)室從多個(gè)方向著手應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。最近，該實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種基于一種叫做六方氮化硼的二維(2d)材料的量子平臺(tái)，由于其極薄的尺寸，使得更容易獲得電子自旋。在目前的研究中，研究小組使用了一種含有天然缺陷的三維材料，這種材料具有控制電子自旋的巨大潛力:鉆石。

Bassett說(shuō):“我們使用超表面的概念來(lái)設(shè)計(jì)和制造鉆石表面的結(jié)構(gòu)，它就像一個(gè)透鏡，從鉆石中的單個(gè)量子位元中收集光子并將其導(dǎo)入光纖，而之前這需要一個(gè)大型的自由空間光學(xué)顯微鏡。”“這是我們努力實(shí)現(xiàn)緊湊量子器件的第一步，這種器件不需要滿屋子的電子器件和自由空間光學(xué)元件?！?/span>

寬砂帶,鋯剛玉砂帶,碳化硅砂帶,堆積磨料砂帶,陶瓷磨料砂帶,棕剛玉砂帶

超表面由復(fù)雜的納米級(jí)圖案組成，這些圖案可以實(shí)現(xiàn)在宏觀尺度上不可能實(shí)現(xiàn)的物理現(xiàn)象。研究人員的超透鏡由一組柱子組成，每一根柱子都有1微米高，直徑100-250納米，它們像傳統(tǒng)的彎曲透鏡一樣聚光。金屬蝕刻在鉆石表面，并與其中一個(gè)NV中心對(duì)齊，將代表電子自旋狀態(tài)的光直接導(dǎo)入光纖，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)收集過(guò)程。

盡管納米制造伴隨著挑戰(zhàn)，但是超表面工程所提供的靈活性為量子技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了重要的優(yōu)勢(shì)：Huang說(shuō)“我們決定將來(lái)自NV中心的光線對(duì)準(zhǔn)光纖，因?yàn)樗苋菀着c過(guò)去十年來(lái)為緊湊型光纖技術(shù)開(kāi)發(fā)的其他技術(shù)相結(jié)合?！薄芭c其他光子結(jié)構(gòu)的兼容性也很重要。你可能想在鉆石上加上其他結(jié)構(gòu)，而我們的超透鏡不排除其他光學(xué)增強(qiáng)。”

“量子工程領(lǐng)域現(xiàn)在正在迅速發(fā)展，這在很大程度上歸功于來(lái)自物理學(xué)，材料科學(xué)，光子學(xué)和電子學(xué)等許多學(xué)科的思想和專業(yè)知識(shí)的融合，”巴塞特說(shuō)。 “Penn Engineering在所有這些領(lǐng)域都表現(xiàn)出色，所以我們期待未來(lái)會(huì)有更多的進(jìn)步。最終，我們希望將這項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)世界，為我們的日常生活帶來(lái)改變?！?/span>

寬砂帶,鋯剛玉砂帶,碳化硅砂帶,堆積磨料砂帶,陶瓷磨料砂帶,棕剛玉砂帶

金剛石是自然界存在的特殊材料之一，具有最高的硬度、低摩擦系數(shù)、高彈性模量、高熱導(dǎo)、高絕緣、寬能隙、高的聲傳播速率以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性等，如下表。雖然天然金剛石具有這些獨(dú)一無(wú)二的特性，但是它們一直僅僅是以寶石的形式存在，其性質(zhì)的多變性和稀有性極大地限制了其應(yīng)用。而洛陽(yáng)譽(yù)芯金剛石制備的CVD金剛石膜將這些優(yōu)異的物理化學(xué)性能集一身，且成本較天然金剛石低，能夠制備各種幾何形狀，在電子、光學(xué)、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。