量子器件制造新突破:港大實現精準打印納米鉆石

2022-04-29 15:04:19

近日,香港大學團隊在量子器件制造取得突破,開發出一種納米級精度的打印方法,以量子水平打印出金剛石納米顆粒中的氮-空位色心。

對物理學家而言,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)晶體結構中最常見的點缺陷,是當前最具代表性的量子體系。NV色心是原子級別的固態設備,作為重要的量子材料,它擁有光學可調的自旋自由度,在固態量子處理器中具有量子比特和量子探測器等核心功能。

現今的量子體系,例如超導量子干涉儀,只能在極低溫(−150°C至絕對零度−273°C)環境下進行操作。由于NV色心在室溫下也具有強力的量子態,這對于實現室溫量子器件尤其重要。

要實現相關應用,對量子技術的一個核心要求是要在集成電路上精準地放置單個NV色心。 這一技術突破將帶動量子計算機、量子通訊和量子生物感知等重要新興領域的發展。

但目前技術阻礙主要包括定位精度粗糙、通量低和工藝復雜等問題?,F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,當中包括復雜的“拾取和放置”納米操作方法,效果并不理想。

此次,香港大學工程學院機械工程系博士Ji Tae Kim和電機電子工程系博士褚智勤領導的研究團隊,開發了一種納米級精度的打印方法,以量子水平打印出金剛石納米顆粒中的NV色心。相關成果發表在《先進科學》(Advanced Science),該技術被選為期刊底面的當期精選故事,并已申請美國專利發明。

以往鉆石作為最堅硬的材料,因此很難加工。此次研究的新方法足以應對這一難題,團隊通過對含有納米金剛石的亞公升液滴(<10的負18次方升)進行電控的分發,直接將NV色心放置在通用的基底上。

“當前十分需要一種通用并且靈活的、用于實現納米級精度并兼具優良可擴展性、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,“我們研發的新技術,能體現出亞波長的定位精度、單缺陷級的數量控制水平和自由圖案化的能力,滿足相關的技術要求。這種新穎的方法將為制造量子信息處理器、量子計算器和生物傳感器等量子器件,開拓出一條實用且具經濟效益的出路。”

標簽: 量子器件 精準打印

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