美國科學(xué)家近日成功實(shí)現(xiàn)了納米金剛石氮空位中心（NV）長達(dá)200微秒的自旋相干時(shí)間，打破了之前自旋相干時(shí)間的歷史保持記錄。實(shí)驗(yàn)用到的納米金剛石由一種新的材料并利用離子蝕刻技術(shù)制備而成，該技術(shù)或?qū)?yīng)用在磁共振探頭研制和量子計(jì)算機(jī)方面。
        納米金剛石的NV缺陷是未來量子技術(shù)的理想應(yīng)用對象，包括量子計(jì)算和納米傳感。不過，大多納米金剛石都含有大量的順磁性雜質(zhì)，這就使得NV中電子自旋狀態(tài)極容易受到影響而變得不穩(wěn)定—電子無法在較長的時(shí)間段內(nèi)保持它們的自旋方向；有時(shí)候這一時(shí)間段最多只能持續(xù)一百萬分之一秒。這就意味著在實(shí)際設(shè)備應(yīng)用中，量子信息無法被存儲(chǔ)。

        金剛石中的原子雜質(zhì)，亦或雜質(zhì)缺陷能夠釋放粉紅、藍(lán)和黃色等光澤。當(dāng)兩個(gè)相鄰的碳原子被一個(gè)氮原子和一個(gè)空置的晶格替代時(shí)，便形成了NV。納米金剛石中的NV由于其無毒性和耐光性，是一種理想的生化探針材料，可嵌入細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行科學(xué)研究和醫(yī)療診斷等。NV還可檢測出電子自旋或核自旋中非常微弱的磁場，因此可用在核磁共振探頭上，在納米范圍內(nèi)檢測物質(zhì)的自旋改變情況。

       傳統(tǒng)的磁共振成像技術(shù)為了捕獲到一個(gè)可測的信號(hào)，需要數(shù)以百萬個(gè)自旋信息，而NV缺陷可以輕松檢測到單個(gè)的目標(biāo)自旋，精確度達(dá)到納米級別。

        以前，讓科學(xué)家倍感頭疼的是，傳統(tǒng)高溫高壓法（HPHT）制備而成的納米金剛石含有大量的順磁性雜質(zhì)，導(dǎo)致自旋相干時(shí)間非常短，這一技術(shù)瓶頸曾困惑研究者很長時(shí)間。而如今，由麻省理工學(xué)院的Dirk Englund教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)利用一種自組裝多空金屬掩膜，采用反應(yīng)離子蝕刻工藝和自上而下的制備法，研制出了高純金剛石納米晶體，不含任何順磁性雜質(zhì)。這些納米金剛石中的NV自旋狀態(tài)能夠保持長達(dá)210微秒。

        由這種新方法制備而成的納米金剛石還實(shí)現(xiàn)了290 nT Hz–1/2的磁場靈敏度，這意味著未來磁場探頭感應(yīng)技術(shù)可以達(dá)到小至50nm的范圍。

        團(tuán)隊(duì)成員Matthew Trusheim補(bǔ)充：利用這種自組裝多空金屬掩膜制備而成的納米金剛石還能夠可控性地產(chǎn)生數(shù)億個(gè)NV缺陷，而且不需要借助太多的人工操作。

        除此之外，NV缺陷還可用于光子結(jié)構(gòu)、單光子源和固態(tài)量子比特糾纏光子等領(lǐng)域。Matthew Trusheim解釋道，量子計(jì)算機(jī)的基本原理是微小物質(zhì)可以同時(shí)以不同狀態(tài)存在；傳統(tǒng)字節(jié)的處理是0或者1，而量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)操作字節(jié)0和1。大量邏輯操作命令可以同時(shí)并行，這在理論上就大大提高了計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。而目前，新制備方法生產(chǎn)的納米金剛石NV所產(chǎn)生的字節(jié)非常不穩(wěn)定，雖能存儲(chǔ)量子信息，但及其容易收到外界環(huán)境噪聲的影響而被毀壞。

       研究者首先將金-鈀掩膜沉積在高純度金剛石襯底上，掩膜就會(huì)自組裝成納米大小的滴狀。然后工作者利用氧等離子蝕刻工藝來激活加快反應(yīng)離子，從而將襯底上的金剛石分離出來。在這一過程中，金-鈀掩膜阻止了外來離子，為生成的金剛石留下了一定的存在空間；然后利用機(jī)械物理方法將這些有納米金剛石的空間點(diǎn)剝離出來，就得到了高純度不含順磁性雜質(zhì)的金剛石。

       該研究得到了哥倫比亞大學(xué)、紐約城市大學(xué)的聯(lián)合支持，發(fā)表在了最新一期的Nano Letter上。（編譯自“Nanodiamond nitrogen vacancies live longer”）