中國(guó)粉體網(wǎng)訊  在大眾認(rèn)知里，“完美無(wú)缺”似乎是金剛石的終極追求，雜質(zhì)、缺陷都是要被剔除的“不完美”。但在量子科技的世界里，情況卻恰恰相反：一顆帶著“可控缺陷”的金剛石，正憑借這份獨(dú)特的“不完美”，成為量子感知領(lǐng)域的“香餑餑”。量子金剛石作為一種極具潛力的新型材料，憑借其獨(dú)特的物理性質(zhì)，在量子傳感、生物醫(yī)學(xué)、精密測(cè)量等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值。其中，基于金剛石中氮-空位（NV）色心的量子特性，為實(shí)現(xiàn)高靈敏度的物理探測(cè)提供了可能。

01 缺陷奧秘，金剛石的“不完美”密碼

從微觀層面來(lái)看，金剛石是由碳原子按照特定的晶格結(jié)構(gòu)排列而成的晶體。在理想狀態(tài)下，每個(gè)碳原子都與周?chē)�的四個(gè)碳原子通過(guò)共價(jià)鍵緊密相連，形成規(guī)整的四面體結(jié)構(gòu)，這種高度有序的排列賦予了金剛石卓越的硬度和穩(wěn)定性。然而，在實(shí)際情況中，由于各種因素的影響，晶格中難免會(huì)出現(xiàn)一些“小插曲”，也就是我們所說(shuō)的缺陷。

金剛石NV色心

所謂色心，是指晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞后形成的晶體缺陷，NV色心是金剛石多種色心中的一種。金剛石NV色心是金剛石中一個(gè)碳原子被一個(gè)氮原子取代，在鄰近處產(chǎn)生了一個(gè)空位，空位周?chē)�是三個(gè)懸空鍵的碳原子，這是一種具有C_3v對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的點(diǎn)缺陷。在金剛石NV色心的物理結(jié)構(gòu)圖中，綠色球體代表的是碳原子，黃色球體代表的是替位氮原子，紫色球體代表的是空位的位置。金剛石NV色心正是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)，才能在常規(guī)測(cè)試條件下能保持優(yōu)良的量子特性。

金剛石NV色心的物理結(jié)構(gòu)示意圖

NV⁰和NV^-

金剛石NV色心在室溫條件下主要以NV⁰和NV^-兩種不同帶電狀態(tài)存在。前者是指它的電荷態(tài)為中性，含有五個(gè)電子，其中有三個(gè)來(lái)源于碳原子，兩個(gè)來(lái)源于氮原子；后者是指呈負(fù)電荷態(tài)，含有六個(gè)電子，通常由NV⁰捕獲一個(gè)電子后形成的。一般情況下，這兩種電荷態(tài)均同時(shí)存在金剛石NV色心中，特定條件下，可以完成兩種電荷態(tài)的相互轉(zhuǎn)化。目前，NV^-態(tài)色心被廣泛研究，在量子應(yīng)用中具有重要地位。

02 量子特性：缺陷催生的神奇力量

金剛石NV中心可被看作是自旋S=1的電子自旋，其基態(tài)是自旋三重態(tài)，可作為自旋量子計(jì)算和量子傳感的工作能級(jí)。NV中心自旋量子態(tài)的初始化和讀出都是通過(guò)自旋依賴(lài)的光學(xué)躍遷過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。在激光輻照下，m_s=0的自旋狀態(tài)會(huì)被激發(fā)到激發(fā)態(tài)并輻射熒光光子返回基態(tài)，故m_s=0被看作“亮態(tài)”；而m_s=±1的自旋狀態(tài)在激發(fā)后有更大的概率通過(guò)自旋單態(tài)路徑回到的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)過(guò)程輻射偏少，故m_s=±1態(tài)被看作“暗態(tài)”。

金剛石氮空位中心自旋量子傳感工作原理：(a)自旋能級(jí)結(jié)構(gòu)和光學(xué)躍遷；(b)外場(chǎng)對(duì)金剛石氮空位中心基態(tài)能級(jí)的影響(從上至下：壓強(qiáng)、溫度、磁場(chǎng))

因此，通過(guò)測(cè)量熒光強(qiáng)度就可以判斷NV中心自旋狀態(tài)�；�于同樣的過(guò)程，幾微秒的連續(xù)激光極化即可將NV自旋抽運(yùn)到m_s=0的狀態(tài)上，實(shí)現(xiàn)高保真度的自旋態(tài)初始化。除了極化和讀出自旋狀態(tài)，還需要將自旋制備到特定的量子態(tài)（如疊加態(tài)）上，一般可通過(guò)射頻微波脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)。施加脈沖的頻率對(duì)準(zhǔn)自旋進(jìn)動(dòng)頻率，通過(guò)控制脈沖長(zhǎng)度、幅度和相位參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)自旋量子傳感器任意量子態(tài)的制備。

03 NV色心制備：實(shí)現(xiàn)量子應(yīng)用的基礎(chǔ)

NV色心的制備需要同時(shí)具備氮原子和空位，其中氮原子可以來(lái)自含氮金剛石，也可以由外部引入，而空位可以通過(guò)粒子撞擊晶格結(jié)構(gòu)等方法產(chǎn)生。準(zhǔn)確控制NV色心的濃度和位置是其開(kāi)發(fā)應(yīng)用的前提。天然金剛石中也存在著NV色心，不過(guò)含量和位置是隨機(jī)的，難以滿(mǎn)足實(shí)際要求，因此人們開(kāi)展了大量關(guān)于色心制備方法的研究，包括電子輻照法、CVD法、離子注入法、飛秒激光輻照法等。

CVD法是分解含碳?xì)怏w在基底上結(jié)晶生成金剛石的技術(shù)�；旌蠚怏w在真空高溫條件下分解成具備含碳基團(tuán)的等離子體球，隨后在基底上積淀結(jié)晶生成金剛石。在生長(zhǎng)過(guò)程中，可以通過(guò)在基底或氣源摻入雜質(zhì)，制造相應(yīng)的色心。在基底摻雜便于制造淺層色心，在氣源摻雜則便于控制色心的制備過(guò)程。CVD法能夠調(diào)節(jié)金剛石晶體的大小和色心的含量。通過(guò)CVD法制備的單NV色心不僅純度高，其相干時(shí)間τ還可以達(dá)到毫秒量級(jí)。

元素六在2020年就推出首款商用化學(xué)氣相沉積法（CVD）量子級(jí)金剛石DNV-B1™，對(duì)那些研究氮空位系統(tǒng)（用于量子演示、脈射器、射頻輻射探測(cè)、陀螺儀、傳感和進(jìn)一步項(xiàng)目）的人來(lái)說(shuō)，是一種理想的初始材料�；�于該公司豐富的經(jīng)驗(yàn)和獨(dú)特的專(zhuān)利工藝定制開(kāi)發(fā)的CVD金剛石解決方案——DNV-B1™，是第一種廣泛可用的通用量子級(jí)材料。

DNV-B1™CVD金剛石，圖源：元素六

04 金剛石在量子中的應(yīng)用

NV色心憑借其優(yōu)秀的光學(xué)和自旋特性在量子傳感領(lǐng)域和量子信息領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

金剛石色心的應(yīng)用

量子計(jì)算：金剛石NV色心可作為一種量子比特的理想載體，同時(shí)該種自旋量子比特在室溫下就有極長(zhǎng)的相干時(shí)間，而且用光學(xué)方法和射頻微波脈沖就可以實(shí)現(xiàn)極高效率的量子操控，這使得量子金剛石是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的杰出候選。

量子傳感：基于激光和微波實(shí)現(xiàn)的NV色心電子自旋量子態(tài)操控和探測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)、溫度、電場(chǎng)、應(yīng)力等物理量的精密測(cè)量。依據(jù)傳感單元的尺寸和傳感方式，基于金剛石NV色心的傳感系統(tǒng)可以分為共聚焦光路、寬場(chǎng)成像、光纖體系等。

量子通信：金剛石NV中心穩(wěn)定的自旋狀態(tài)與光、微波相互作用特性，使其成為量子通信中理想的量子比特載體。利用金剛石制備量子中繼器，能夠有效延長(zhǎng)量子通信的傳輸距離，克服信號(hào)衰減等難題，為構(gòu)建全球量子通信網(wǎng)絡(luò)提供關(guān)鍵支撐。

Element Six（元素六）一直專(zhuān)注于人造金剛石等超硬材料的合成與加工工藝，提供尖端的金剛石和硬質(zhì)合金精密部件，是金剛石先進(jìn)材料的全球領(lǐng)導(dǎo)者。元素六利用人造金剛石的極端特性，在光子學(xué)、聲學(xué)、電力傳輸、水處理、熱管理和傳感器等領(lǐng)域開(kāi)辟新的可能性。

2025年11月5日，中國(guó)粉體網(wǎng)將在河南•鄭州舉辦“2025半導(dǎo)體行業(yè)用金剛石材料技術(shù)大會(huì)”。屆時(shí)，我們邀請(qǐng)到Element Six（元素六）亞洲戰(zhàn)略業(yè)務(wù)總監(jiān)秦景霞出席本次大會(huì)并作題為《用于量子感知的金剛石材料》的報(bào)告，將聚焦量子金剛石材料，系統(tǒng)闡述量子金剛石的制備與應(yīng)用：包括通過(guò)MPCVD技術(shù)精準(zhǔn)調(diào)控N含量至ppm級(jí)別，展示量子金剛石在不同領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，淺層NV中心采用電子級(jí)單晶基底直接生長(zhǎng)工藝等。

個(gè)人簡(jiǎn)介

秦景霞，Element Six（元素六）亞洲戰(zhàn)略業(yè)務(wù)總監(jiān)，畢業(yè)于湖南大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，深耕于金剛石、立方氮化硼、硬質(zhì)合金等超硬材料的各種工業(yè)應(yīng)用以及前沿應(yīng)用十余年，立足國(guó)際領(lǐng)先品牌平臺(tái)，借力中國(guó)超硬材料制品行業(yè)的產(chǎn)業(yè)集群優(yōu)勢(shì)，熟知相關(guān)產(chǎn)品的各類(lèi)傳統(tǒng)應(yīng)用、前沿應(yīng)用及各行業(yè)發(fā)展的脈動(dòng)趨勢(shì)。

參考來(lái)源：

1.元素六官網(wǎng)

2.陳諾誠(chéng)：基于金剛石NV色心的微弱微波場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)研究

3.劉曉兵等：金剛石結(jié)構(gòu)與功能研究綜述

4.郝鑫等：金剛石NV色心的制備及應(yīng)用

5.粉體網(wǎng)：缺陷成就“完美”？金剛石的量子世界

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/石語(yǔ)）

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)請(qǐng)告知?jiǎng)h除！