钻石的亮蓝色是由其晶体结构中的小杂质造成的。类似的钻石杂质也给科学家带来了希望，他们希望创造出可以用于量子计算和量子传感的材料。

在美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的新研究中，研究人员创造了极薄的纯钻石膜。然而，在膜晶体结构中的几个位置，该团队用其他原子（特别是氮）取代了碳原子。这些缺陷与邻近的原子空位（原子缺失的区域）相连，从而产生了被称为“色心”的不寻常的量子系统。这样的色心是存储和处理量子信息的场所。

这项工作主要由美国能源部基础能源科学，材料科学和工程部门办公室支持，并得到了由Argonne领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心Q-NEXT的支持。

阿贡的科学家配备了一种廉价而轻松地制造出具有坚固色心的金刚石膜的方法，他们希望建立一种流水线，用于为世界各地的量子实验生成大量这些膜。

培养膜的能力可能是加强致力于量子信息科学的不同实验室之间合作的基础，该研究的第一作者，芝加哥大学研究生Xinghan Guo说。

“从本质上讲，我们希望这最终能让我们有能力成为量子传感材料的一站式商店，“Guo说。

“金刚石中的缺陷对我们来说很有趣，因为它们可以用于量子应用，“阿贡材料科学系和芝加哥大学普利兹克分子工程学院的科学家Nazar Delegan说，他是Q-NEXT的合作者。“制造这些膜使我们能够将这些缺陷与其他系统集成，并实现新的实验配置。”

钻石在机械上很硬，化学性质稳定，而且通常很昂贵——换句话说，它是一种科学噩梦，众所周知，很难制造和整合。与此同时，钻石的特殊结构使其成为可以长时间存储量子信息的颜色中心的绝佳宿主，Xinghan Guo说。

“传统的钻石作为基材是非常难以加工的，“他说。“我们的膜更薄，更容易用于各种实验。”

研究人员采用的新型金刚石材料可提供更高的晶体和表面质量，从而更好地控制色心的一致性。

“您可以剥离膜并将其放在各种基板上，甚至可以将其放在硅晶圆上。这是一种廉价，灵活且易于使用颜色中心的方法，而无需直接使用传统钻石，“Guo说。

“因为我们能够控制和维护这些非常薄的材料中单个缺陷中的量子特性，所以它使这个平台有望成为量子技术的基础，“Delegan说。

一篇基于《用于集成量子技术的可调谐和可转移的金刚石膜》的研究论文发表在2021年12月13日的《Nano Letters》在线版上。除了Delegan和Guo之外，该研究的其他作者还有Jonathan Karsch，Zixi Li，Tinale Liu，Robert Shreiner，Amy Butcher，David Awschalom，F. Joseph Heremans和Alexander A. High。

参考链接：

https://www.anl.gov/article/a-onestop-shop-for-quantum-sensing-materials

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.1c03703

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