德國(guó)成功研发氮原子大小(xiǎo)的量子传感器

量子技术為(wèi)電(diàn)子元件小(xiǎo)型化开辟了新(xīn)的途径。近日，德國(guó)弗劳恩霍夫应用(yòng)固體(tǐ)物(wù)理(lǐ)研究所（IAF）和马普固體(tǐ)研究所发布消息称，其科(kē)研人员共同研发出一种量子传感器，未来可(kě)用(yòng)于测量微磁场，如硬盘磁场和人脑電(diàn)波。

集成電(diàn)路越来越复杂，目前一台奔腾处理(lǐ)器可(kě)容纳约3000万个晶體(tǐ)管，因而硬盘的磁性结构可(kě)识别的范围仅為(wèi)10至20纳米，比直径為(wèi)80至120纳米的流感病毒还小(xiǎo)，该量级的尺寸规格只有(yǒu)量子物(wù)理(lǐ)技术可(kě)触及。新(xīn)研发的量子传感器则可(kě)精确测量这类用(yòng)在未来硬盘上的微小(xiǎo)磁场。新(xīn)型量子传感器仅有(yǒu)氮原子的大小(xiǎo)，作為(wèi)载體(tǐ)物(wù)质的是一种人造金刚石。金刚石具有(yǒu)很(hěn)好的机械和化學(xué)稳定性以及超强的导热性能(néng)，可(kě)通过引入硼、磷等外来原子，将晶體(tǐ)制成半导體(tǐ)，且非常适用(yòng)于光學(xué)電(diàn)路。

IAF的研究人员在近几十年中研制并优化出用(yòng)于生产金刚石的设备，一种专用(yòng)的椭圆形等离子體(tǐ)反应堆模具。在800-900摄氏度的高温下，在金刚石底物(wù)上从导入甲烷气和氢气中可(kě)長(cháng)出金刚石层，再将边長(cháng)3-8mm的晶體(tǐ)从底物(wù)剥离并抛光，最后制造出具备量子物(wù)理(lǐ)用(yòng)途的、仅含碳原子稳定同位素C12的超纯单晶金刚石晶體(tǐ)。所用(yòng)的甲烷气经锆过滤器净化，氢气经其它手段净化。

研究人员制做磁场检测器有(yǒu)两种途径：直接植入单个氮原子，或在制造金刚石的最后一步加入氮。之后，在超净室内采用(yòng)氧等离子體(tǐ)蚀刻法均可(kě)制作出类似于原子力显微镜的纤细金刚石尖。关键点是导入的氮原子以及晶格中的相邻空位。该氮空位中心就是实际的传感器，用(yòng)激光和微波照射时会发光，发出的光可(kě)随附近磁场的强度变化而变化。专家们将这项创新(xīn)与光學(xué)探测磁共振（ODMR）相提并论。

这种传感器不仅能(néng)准确检测到纳米级的磁场，还能(néng)确定其强度，应用(yòng)潜力惊人。例如，可(kě)监控硬盘质量，检测出密集存储数据中的小(xiǎo)错误和发现有(yǒu)缺陷的数据片段，在刻写和读取前即将其去除。因此，可(kě)减少随着小(xiǎo)型化的加速而迅速增加的废料，降低生产成本。IAF的专家称，这种量子传感器还可(kě)用(yòng)于测量很(hěn)多(duō)微弱磁场，包括脑電(diàn)波。与目前使用(yòng)的脑電(diàn)波传感器相比，不仅更准确，而且在室温下即可(kě)使用(yòng)，无需经液氮冷却。