德國成功研發氮原子大(dà)小(xiǎo)的量子傳感器

量子技術爲電(diàn)子元件小(xiǎo)型化開(kāi)辟了新的途徑。近日，德國弗勞恩霍夫應用固體(tǐ)物(wù)理研究所（IAF）和馬普固體(tǐ)研究所發布消息稱，其科研人員(yuán)共同研發出一(yī)種量子傳感器，未來可用于測量微磁場，如硬盤磁場和人腦電(diàn)波。

集成電(diàn)路越來越複雜(zá)，目前一(yī)台奔騰處理器可容納約3000萬個晶體(tǐ)管，因而硬盤的磁性結構可識别的範圍僅爲10至20納米，比直徑爲80至120納米的流感病毒還小(xiǎo)，該量級的尺寸規格隻有量子物(wù)理技術可觸及。新研發的量子傳感器則可精确測量這類用在未來硬盤上的微小(xiǎo)磁場。新型量子傳感器僅有氮原子的大(dà)小(xiǎo)，作爲載體(tǐ)物(wù)質的是一(yī)種人造金剛石。金剛石具有很好的機械和化學穩定性以及超強的導熱性能，可通過引入硼、磷等外(wài)來原子，将晶體(tǐ)制成半導體(tǐ)，且非常适用于光學電(diàn)路。

IAF的研究人員(yuán)在近幾十年中(zhōng)研制并優化出用于生(shēng)産金剛石的設備，一(yī)種專用的橢圓形等離(lí)子體(tǐ)反應堆模具。在800-900攝氏度的高溫下(xià)，在金剛石底物(wù)上從導入甲烷氣和氫氣中(zhōng)可長出金剛石層，再将邊長3-8mm的晶體(tǐ)從底物(wù)剝離(lí)并抛光，最後制造出具備量子物(wù)理用途的、僅含碳原子穩定同位素C12的超純單晶金剛石晶體(tǐ)。所用的甲烷氣經锆過濾器淨化，氫氣經其它手段淨化。

研究人員(yuán)制做磁場檢測器有兩種途徑：直接植入單個氮原子，或在制造金剛石的最後一(yī)步加入氮。之後，在超淨室内采用氧等離(lí)子體(tǐ)蝕刻法均可制作出類似于原子力顯微鏡的纖細金剛石尖。關鍵點是導入的氮原子以及晶格中(zhōng)的相鄰空位。該氮空位中(zhōng)心就是實際的傳感器，用激光和微波照射時會發光，發出的光可随附近磁場的強度變化而變化。專家們将這項創新與光學探測磁共振（ODMR）相提并論。

這種傳感器不僅能準确檢測到納米級的磁場，還能确定其強度，應用潛力驚人。例如，可監控硬盤質量，檢測出密集存儲數據中(zhōng)的小(xiǎo)錯誤和發現有缺陷的數據片段，在刻寫和讀取前即将其去(qù)除。因此，可減少随着小(xiǎo)型化的加速而迅速增加的廢料，降低生(shēng)産成本。IAF的專家稱，這種量子傳感器還可用于測量很多微弱磁場，包括腦電(diàn)波。與目前使用的腦電(diàn)波傳感器相比，不僅更準确，而且在室溫下(xià)即可使用，無需經液氮冷卻。