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鄭州華晶金剛石股份有限公司

為量子技術設計金剛石超透鏡

關鍵詞 金剛石 , 鉆石|2019-06-17 11:07:58|來源 實驗室合成鉆石
摘要 從化學層面來看,鉆石不過是排列在一個精確的三維晶格中的碳原子。然而,即使是看似完美無瑕的鉆石也有缺陷:晶格中缺少碳原子或被其他東西取代的點。其中一些缺陷是非常可取的;它們捕獲可吸收...

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       從化學層面來看,鉆石不過是排列在一個精確的三維晶格中的碳原子。然而,即使是看似完美無瑕的鉆石也有缺陷: 晶格中缺少碳原子或被其他東西取代的點。其中一些缺陷是非常可取的; 它們捕獲可吸收或發射光的單個電子,從而鉆石中產生各種各樣的顏色,更重要的是,為高級計算,安全通信和精確傳感創建各種量子技術平臺。

        量子技術基于稱為“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; 與數據僅采用0或1的形式的二進制計算系統不同,電子自旋可以在量子疊加中同時將信息表示為0、1或兩者。量子科學家對鉆石的量子位元特別感興趣,因為它們的量子力學性質(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。

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        賓夕法尼亞大學工程師設計了一種方法來模擬鉆石表面,使其更容易從內部缺陷中收集光線。 這種表面結構稱為超透鏡,包含納米級特征,可以彎曲和聚焦缺陷發出的光,盡管它實際上是平的。

        該研究由電子與系統工程系助理教授Lee Bassett,研究生Tzu-Yung Huang和Bassett實驗室的博士后研究員Richard Grote領導。Bassett Lab的其他成員David Hopper,Annemarie Exarhos和Garrett Kaighn也為這項工作做出了貢獻,辛格納米技術中心業務發展總監Gerald Lopez以及阿姆斯特丹納米光子學中心的兩名成員Sander Mann和Erik Garnett也做出了貢獻。

        利用量子系統潛在能量的關鍵是能夠創造或發現能夠可靠操縱和測量電子自旋的結構,考慮到量子態的脆弱性,這是一項艱巨的任務。Bassett的實驗室從多個方向著手應對這一挑戰。最近,該實驗室開發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,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:“我們使用超表面的概念來設計和制造鉆石表面的結構,它就像一個透鏡,從鉆石中的單個量子位元中收集光子并將其導入光纖,而之前這需要一個大型的自由空間光學顯微鏡。”“這是我們努力實現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元件。”

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       超表面由復雜的納米級圖案組成,這些圖案可以實現在宏觀尺度上不可能實現的物理現象。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,它們像傳統的彎曲透鏡一樣聚光。金屬蝕刻在鉆石表面,并與其中一個NV中心對齊,將代表電子自旋狀態的光直接導入光纖,簡化了數據收集過程。

        盡管納米制造伴隨著挑戰,但是超表面工程所提供的靈活性為量子技術的實際應用提供了重要的優勢:Huang說“我們決定將來自NV中心的光線對準光纖,因為它很容易與過去十年來為緊湊型光纖技術開發的其他技術相結合。”“與其他光子結構的兼容性也很重要。你可能想在鉆石上加上其他結構,而我們的超透鏡不排除其他光學增強。”

        “量子工程領域現在正在迅速發展,這在很大程度上歸功于來自物理學,材料科學,光子學和電子學等許多學科的思想和專業知識的融合,”巴塞特說。 “Penn Engineering在所有這些領域都表現出色,所以我們期待未來會有更多的進步。最終,我們希望將這項技術從實驗室轉移到現實世界,為我們的日常生活帶來改變。“

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       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、高彈性模量、高熱導、高絕緣、寬能隙、高的聲傳播速率以及良好的化學穩定性等,如下表。雖然天然金剛石具有這些獨一無二的特性,但是它們一直僅僅是以寶石的形式存在,其性質的多變性和稀有性極大地限制了其應用。而洛陽譽芯金剛石制備的CVD金剛石膜將這些優異的物理化學性能集一身,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、機械等工業領域有廣泛的應用前景。


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