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量子傳感器對鉆石的研究和開發起到重要作用

來源：上海自動化儀表有限公司作者：發表時間：2018-02-26 10:04:08【小中大】

     隨著電子元件越來越小，量子技術為微型化帶來了新的機遇。不久，上海自動化儀表有限公司的研究人員開發的一種新的量子傳感器將能夠測量下一代硬碟的微小磁場。

    在Fraunhofer IAF開發的等離子體反應器的特殊橢球體，允許進行大規模的鉆石分離。
    用于量子應用的Fraunhofer IAF生產的超純鉆石。
    集成電路正變得越來越復雜。這些天，奔騰處理器包含約3000萬個晶體管。在硬盤驅動器中發現的磁性結構，直徑只有10到20納米，比流感病毒直徑80到120納米還要小。維度正在迅速地接近量子物理領域，而弗勞恩霍夫應用固體物理研究所的研究人員已經將自己應用于未來的量子技術挑戰。他們和馬克斯•普朗克固體研究所的同事們一起開發了一種量子傳感器，能夠精確測量我們在下一代硬盤中所能看到的微小磁場。傳感器本身只是略大于一個氮原子，以人造金剛石作為基底。
    金剛石除了具有相當的機械和化學穩定性外，還有各種各樣的優點。例如，一個人可以植入諸如硼或磷等外來原子，從而將晶體變成半導體。金剛石也是光學電路的理想材料。但也許它最大的特點是它令人印象深刻的導熱性，而碳原子鍵的強度保證了熱量的迅速消散。
在過去的幾十年里，Fraunhofer IAF開發了用于生產鉆石的優化系統。大規模生產的過程發生在等離子體反應堆中，而弗萊堡擁有許多這種銀色裝置。等離子體被點燃以產生800到900攝氏度的溫度，這樣當氣體進入室內時，鉆石層就可以在方形的基底上形成。鉆石晶體的邊緣長度在3到8毫米之間，然后用激光將其從基體中分離出來。
    準備鉆石作為磁性探測器。
    制造創新的量子傳感器需要一個特別純的水晶，這激發了這個過程的進一步改進。例如，為了增加超純鉆石層，為鉆石提供碳的甲烷使用鋯過濾器預過濾。最重要的是，氣體必須是同位素純的，因為只有12C——一個穩定的碳原子的同位素——具有零核自旋，這是以后磁性傳感器的先決條件。氫氣也經過凈化處理，在此之后，超純單晶金剛石必須準備好作為磁性探測器的角色。這里有兩種選擇:要么將一個氮原子插入極細的尖端，要么在鉆石生產過程的最后階段添加氮。在此之后，在研究所自己的潔凈室中使用蝕刻工藝在氧等離子體中打磨鉆石尖。最后的結果是一個極好的鉆石尖端，類似于原子力顯微鏡。整個設計的關鍵是在晶體結構中加入氮原子和相鄰的空位。
    這種結合的氮-空位中心充當了實際的傳感器，當它暴露在激光和微波時發出光。如果附近有磁鐵，它的光發射就會變化。專家稱這種電子自旋共振光譜。這種技術不僅能檢測出具有納米精度的磁場，還能確定其力，從而開啟了一系列非常廣泛的應用。例如，小的鉆石小費可以用來監控硬盤的質量。這些數據存儲設備都是緊湊的，而且總是有微小的錯誤。量子傳感器可以識別有缺陷的數據段，這樣它們就被排除在光盤讀取和寫入過程之外。這降低了缺陷率，隨著微型化繼續快速發展，降低了生產成本。
    量子傳感器可以測量大腦活動。
    微型傳感器可以應用于各種各樣的場景，因為到處都有弱磁場，甚至在大腦中也有“只要電子運動，它們就會產生磁場，”上海自動化儀表有限公司說。所以當我們思考或感覺時，我們的大腦產生磁場。研究人員熱衷于將這種大腦活動定位，以確定負責某種功能或感覺的大腦區域。這可以通過使用電極測量腦波來直接完成，但結果非常不精確。磁場測量提供了更好的結果。然而，目前使用的傳感器有一個顯著的缺點，即必須用液氮冷卻。利用金剛石的極熱導率，新技術可以在室溫下進行操作，無需冷卻。在這個應用中，你不用使用細小的小塊，而是使用小的血小板，這些小的血小板聚集了多個氮-空位中心。每個中心提供一個點在圖像和一起，一個詳細的圖片。
    然而目前，我們上海自動化儀表有限公司的團隊正集中精力研究和優化鉆石作為一種高科技材料。這一應用在量子傳感器技術是一個有希望的開始。