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量子器件制造新突破:港大實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打印納米鉆石

2022-04-29 15:04:19

近日,香港大學(xué)團(tuán)隊(duì)在量子器件制造取得突破,開(kāi)發(fā)出一種納米級(jí)精度的打印方法,以量子水平打印出金剛石納米顆粒中的氮-空位色心。

對(duì)物理學(xué)家而言,鉆石作為寶石,其中的瑕疵更具吸引力。氮-空位色心(NV色心)是一種在金剛石(鉆石的原石)晶體結(jié)構(gòu)中最常見(jiàn)的點(diǎn)缺陷,是當(dāng)前最具代表性的量子體系。NV色心是原子級(jí)別的固態(tài)設(shè)備,作為重要的量子材料,它擁有光學(xué)可調(diào)的自旋自由度,在固態(tài)量子處理器中具有量子比特和量子探測(cè)器等核心功能。

現(xiàn)今的量子體系,例如超導(dǎo)量子干涉儀,只能在極低溫(−150°C至絕對(duì)零度−273°C)環(huán)境下進(jìn)行操作。由于NV色心在室溫下也具有強(qiáng)力的量子態(tài),這對(duì)于實(shí)現(xiàn)室溫量子器件尤其重要。

要實(shí)現(xiàn)相關(guān)應(yīng)用,對(duì)量子技術(shù)的一個(gè)核心要求是要在集成電路上精準(zhǔn)地放置單個(gè)NV色心。 這一技術(shù)突破將帶動(dòng)量子計(jì)算機(jī)、量子通訊和量子生物感知等重要新興領(lǐng)域的發(fā)展。

但目前技術(shù)阻礙主要包括定位精度粗糙、通量低和工藝復(fù)雜等問(wèn)題。現(xiàn)有的幾種方案將具有NV色心的納米金剛石顆粒,定位在各種基板和電路上,當(dāng)中包括復(fù)雜的“拾取和放置”納米操作方法,效果并不理想。

此次,香港大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械工程系博士Ji Tae Kim和電機(jī)電子工程系博士褚智勤領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì),開(kāi)發(fā)了一種納米級(jí)精度的打印方法,以量子水平打印出金剛石納米顆粒中的NV色心。相關(guān)成果發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》(Advanced Science),該技術(shù)被選為期刊底面的當(dāng)期精選故事,并已申請(qǐng)美國(guó)專(zhuān)利發(fā)明。

以往鉆石作為最堅(jiān)硬的材料,因此很難加工。此次研究的新方法足以應(yīng)對(duì)這一難題,團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)含有納米金剛石的亞公升液滴(<10的負(fù)18次方升)進(jìn)行電控的分發(fā),直接將NV色心放置在通用的基底上。

“當(dāng)前十分需要一種通用并且靈活的、用于實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度并兼具優(yōu)良可擴(kuò)展性、可控成本以及與廣泛的納米光子電路可兼容的金剛石顆粒定位方法。”褚智勤表示,“我們研發(fā)的新技術(shù),能體現(xiàn)出亞波長(zhǎng)的定位精度、單缺陷級(jí)的數(shù)量控制水平和自由圖案化的能力,滿足相關(guān)的技術(shù)要求。這種新穎的方法將為制造量子信息處理器、量子計(jì)算器和生物傳感器等量子器件,開(kāi)拓出一條實(shí)用且具經(jīng)濟(jì)效益的出路。”

標(biāo)簽: 量子器件 精準(zhǔn)打印

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