在硅片上制作的基于钻石的量子传感器

麻省理工学院的研究人员在硅芯片上制造了一种基于钻石的量子传感器。这一进展可能为低成本、可扩展的量子计算、传感和通信硬件铺平道路。

金刚石中的“氮空位(NV)中心”是带有电子的缺陷，可以被光和微波操纵。作为回应，它们发出带有周围磁场和电场量子信息的彩色光子，可用于生物传感、神经成像、物体探测和其他传感应用。但传统的基于虚拟环境的量子传感器只有厨房桌子那么大，昂贵的分立元件限制了实用性和可扩展性。

研究人员找到了一种方法，利用传统的半导体制造技术，将所有这些庞大的组件——包括微波发生器、光学滤波器和光电探测器——集成到毫米级的封装上。值得注意的是，该传感器在室温下工作，具有感应磁场方向和大小的能力。

研究人员演示了该传感器用于磁力测量的用途，这意味着他们能够测量由于周围磁场而导致的原子尺度的频率变化，其中可能包含环境信息。经过进一步改进，该传感器将有一系列的应用，从绘制大脑中的电脉冲到探测物体，甚至在没有视线的情况下。

电子工程与计算机科学系(EECS)的研究生克里斯托弗·福伊(Christopher Foy)说:“阻挡磁场非常困难，所以这对量子传感器来说是一个巨大的优势。”“如果有一辆车在你下面的一个地下隧道里行驶，即使你没有看到它，你也能发现它。”

萎缩和叠加

金刚石中的NV中心发生在晶格结构中两个相邻位置的碳原子缺失的地方——一个原子被一个氮原子取代，而另一个空间是一个空白的“空位”。这使得结构中缺少键，而电子对周围环境中电、磁和光学特性的微小变化非常敏感。

NV中心本质上是一个原子，有一个原子核和周围的电子。它还具有光致发光的特性，这意味着它能吸收并发射彩色光子。扫过中心的微波可以使它改变状态-正电、中性和负电-从而改变电子的自旋。然后，它会根据自旋释放不同数量的红色光子。

一种被称为光学检测磁共振(ODMR)的技术，可以测量有多少光子通过与周围磁场的相互作用而发出。这种相互作用产生了关于该领域的进一步的、可量化的信息。为了实现这一切，传统传感器需要庞大的组件，包括安装的激光器、电源、微波发生器、光和微波路由导体、光学滤波器和传感器，以及读出组件。

相反，研究人员开发了一种新颖的芯片架构，利用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)技术，以特定的方式定位和堆叠微小、廉价的组件，因此它们的功能与这些组件相同。“CMOS技术可以在芯片上实现非常复杂的三维结构，”EECS研究生Mohamed Ibrahim说。“我们可以在芯片上有一个完整的系统，我们只需要一块钻石和绿色光源在上面。但这可以是普通芯片级的LED。”

金刚石板内的NV中心被定位在芯片的“传感区域”。一个小的绿色泵浦激光器激发NV中心，而放置在NV中心附近的纳米线对电流产生扫描微波。基本上，光和微波共同作用，使NV中心发出不同数量的红光子——这一差异是研究人员在实验中读出的目标信号。

在NV中心下面是一个光电二极管，用来消除噪声和测量光子。在钻石和光电二极管之间是一个金属光栅，它作为一个过滤器，吸收绿色的激光光子，同时允许红色光子到达光电二极管。简而言之，这使芯片上的ODMR设备成为可能，该设备测量带有周围磁场信息的红光子的共振频率偏移。

但是一个芯片怎么能完成大型机器的工作呢?一个关键的技巧是简单地移动产生微波的导线，使其与NV中心保持最佳距离。即使芯片非常小，这种精确的距离也能使导线电流产生足够的磁场来操纵电子。微波导线和产生电路的紧密集成和协同设计也有帮助。在他们的论文中，研究人员能够产生足够的磁场，以实现物体探测的实际应用。

只是开始

研究人员还介绍了一种第二代传感器，它对这种设计进行了各种改进，灵敏度提高了100倍。接下来，研究人员表示，他们有一个如何将灵敏度提高1000倍的“路线图”。这基本上涉及到放大芯片，以增加NV中心的密度，这决定了灵敏度。

将cmos -金刚石传感器集成到广泛的应用中，包括化学分析、核磁共振光谱和材料表征。”

麻省理工学院

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-克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程,《媒体,cvavra@cfemedia.com．