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研究量子-NV中心又会发射不同数量的红色光子

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NV中心本質上是一個原子,有一個原子核,周圍還有電子,還具備光致發光特性,能夠吸收和發射彩色光子。掃過NV中心的微波可讓其改變狀態(正、中性和負),反過來改變電子的自旋,根據自旋,NV中心又會發射不同數量的紅色光子。

蓋世汽車訊 據外媒報道,美國麻省理工學院(MIT)的研究人員首次在硅芯片上打造了一種基於金剛石的量子傳感器,從而能夠為低成本、可擴展的量子計算、傳感和通信硬件鋪平道路。

如果能夠成功,該傳感器甚至可用於神經成像應用,即將傳感器放在神經元附近,探測神經元放電的強度和方向,從而幫助研究人員繪製神經元之間的連接圖,並觀察哪些神經元會互相觸發。其他應用還包括替代車輛和飛機上的GPS,由於能夠很好地繪製出地球磁場,量子傳感器就能成為極其精確的指南針,即使在沒有GPS的環境中也是如此。

什麼是氮空位中心(NV)如果金剛石晶格結構中兩個相鄰位置的碳原子消失,其中一個原子被氮原子取代,另一個位置「缺失」,就會造成NV中心,導致結構中缺失了鍵,而此類結構中的電子會對周圍環境中的電、磁和光學特性的微小變化極其敏感。

(圖片來源:MIT官網)金剛石中的「氮空位中心」(NV centers)是一種電子缺陷,能夠被光和微波控制。但是,此種缺陷會發出彩色光子,攜帶周圍磁場和電場的量子信息,可以用於生物傳感、目標探測和其他傳感應用。但是,傳統的基於NV的量子傳感器有餐桌那麼大,還配備了昂貴的分立元器件,限制其實用性和可擴展性。

在今年早些時候,研究人員還介紹了第二種傳感器,其設計得到了改進,靈敏度提高了100倍。研究人員表示,接下來,將把其靈敏度提高1000倍,即要擴大芯片的尺寸,以增加NV中心的密度。

而光學檢測磁共振(ODMR)技術能夠測量出NV中心與周圍磁場相互作用后發出的光子數量,此種相互作用產出了有關磁場的可量化信息。為了實現這一切,傳統的傳感器需要各種體積龐大的組件(餐桌那麼大),包括一個安裝在其上面的激光器、電源、微波發生器、傳輸光和微波的導體、一個光學濾波器和傳感器以及一個讀出組件。

但是,如何讓一個芯片完成一台大型機器的工作呢?關鍵在於移動產生微波的導線,使其與NV中心保持最佳距離。即使芯片很小,該距離就足以讓導線電流產生足夠的磁場以操縱電子。此外,微波導線和電路在設計中都被考慮在內,而且被緊密集成至芯片中。研究人員表示,其設計能夠產生足夠的磁場,用於目標探測。

不過,MIT研究人員研發出一種新型芯片架構,採用標準互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術,以某種方式定位微小、廉價的組件,並將它們堆疊起來。

研究人員展示了該傳感器可用於磁力測量,意味着能夠測量由於周圍磁場引起的原子尺度的頻率變化,而周圍磁場可能會包含有關周圍環境的信息。經過進一步完善,該傳感器還可用於其他領域,如繪製大腦中的電脈衝圖、在漆黑的環境中探測物體等。

金剛石內的NV中心是該芯片的「傳感區」,小型的綠色激光會激發NV中心,同時放置在NV中心附近的納米線會根據電流產生掃掠微波。基本來說,激光與微波會配合工作,讓NV中心發出不同數量的紅色光子,而差值就是研究人員需要的目標信號。

在NV中心下方是一個光電二極管,能夠消除噪音並測量光子。在金剛石和光電二極管之間是一個金屬光柵,作為一個過濾器,能夠吸收綠色激光光子,同時允許紅色光子到達光電二極管。簡而言之,能夠在芯片上實現ODMR設備,從而測量帶有磁場信息的紅色光子的共振頻率變化。

不過,MIT的研究人員找到一種方法,利用傳統的半導體製造技術,將所有體積龐大的組件,包括微波發生器、光學濾波器和光探測器等都集成至一個尺寸只有毫米大小的包裝中。值得注意的是,該傳感器能夠在室溫下工作,具有感應磁場方向和強度的能力。

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