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量子傳感器對(duì)鉆石的研究和開(kāi)發(fā)起到重要作用
來(lái)源：上海自動(dòng)化儀表有限公司作者：發(fā)表時(shí)間：2018-02-26 10:04:08【小中大】
隨著電子元件越來(lái)越小，量子技術(shù)為微型化帶來(lái)了新的機(jī)遇。不久，上海自動(dòng)化儀表有限公司的研究人員開(kāi)發(fā)的一種新的量子傳感器將能夠測(cè)量下一代硬碟的微小磁場(chǎng)。
在Fraunhofer IAF開(kāi)發(fā)的等離子體反應(yīng)器的特殊橢球體，允許進(jìn)行大規(guī)模的鉆石分離。
用于量子應(yīng)用的Fraunhofer IAF生產(chǎn)的超純鉆石。
集成電路正變得越來(lái)越復(fù)雜。這些天，奔騰處理器包含約3000萬(wàn)個(gè)晶體管。在硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器中發(fā)現(xiàn)的磁性結(jié)構(gòu)，直徑只有10到20納米，比流感病毒直徑80到120納米還要小。維度正在迅速地接近量子物理領(lǐng)域，而弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所的研究人員已經(jīng)將自己應(yīng)用于未來(lái)的量子技術(shù)挑戰(zhàn)。他們和馬克斯•普朗克固體研究所的同事們一起開(kāi)發(fā)了一種量子傳感器，能夠精確測(cè)量我們?cè)谙乱淮脖P(pán)中所能看到的微小磁場(chǎng)。傳感器本身只是略大于一個(gè)氮原子，以人造金剛石作為基底。
金剛石除了具有相當(dāng)?shù)臋C(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性外，還有各種各樣的優(yōu)點(diǎn)。例如，一個(gè)人可以植入諸如硼或磷等外來(lái)原子，從而將晶體變成半導(dǎo)體。金剛石也是光學(xué)電路的理想材料。但也許它最大的特點(diǎn)是它令人印象深刻的導(dǎo)熱性，而碳原子鍵的強(qiáng)度保證了熱量的迅速消散。
在過(guò)去的幾十年里，F(xiàn)raunhofer IAF開(kāi)發(fā)了用于生產(chǎn)鉆石的優(yōu)化系統(tǒng)。大規(guī)模生產(chǎn)的過(guò)程發(fā)生在等離子體反應(yīng)堆中，而弗萊堡擁有許多這種銀色裝置。等離子體被點(diǎn)燃以產(chǎn)生800到900攝氏度的溫度，這樣當(dāng)氣體進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，鉆石層就可以在方形的基底上形成。鉆石晶體的邊緣長(zhǎng)度在3到8毫米之間，然后用激光將其從基體中分離出來(lái)。
準(zhǔn)備鉆石作為磁性探測(cè)器。
制造創(chuàng)新的量子傳感器需要一個(gè)特別純的水晶，這激發(fā)了這個(gè)過(guò)程的進(jìn)一步改進(jìn)。例如，為了增加超純鉆石層，為鉆石提供碳的甲烷使用鋯過(guò)濾器預(yù)過(guò)濾。最重要的是，氣體必須是同位素純的，因?yàn)橹挥?2C——一個(gè)穩(wěn)定的碳原子的同位素——具有零核自旋，這是以后磁性傳感器的先決條件。氫氣也經(jīng)過(guò)凈化處理，在此之后，超純單晶金剛石必須準(zhǔn)備好作為磁性探測(cè)器的角色。這里有兩種選擇:要么將一個(gè)氮原子插入極細(xì)的尖端，要么在鉆石生產(chǎn)過(guò)程的最后階段添加氮。在此之后，在研究所自己的潔凈室中使用蝕刻工藝在氧等離子體中打磨鉆石尖。最后的結(jié)果是一個(gè)極好的鉆石尖端，類似于原子力顯微鏡。整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在晶體結(jié)構(gòu)中加入氮原子和相鄰的空位。
這種結(jié)合的氮-空位中心充當(dāng)了實(shí)際的傳感器，當(dāng)它暴露在激光和微波時(shí)發(fā)出光。如果附近有磁鐵，它的光發(fā)射就會(huì)變化。專家稱這種電子自旋共振光譜。這種技術(shù)不僅能檢測(cè)出具有納米精度的磁場(chǎng)，還能確定其力，從而開(kāi)啟了一系列非常廣泛的應(yīng)用。例如，小的鉆石小費(fèi)可以用來(lái)監(jiān)控硬盤(pán)的質(zhì)量。這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備都是緊湊的，而且總是有微小的錯(cuò)誤。量子傳感器可以識(shí)別有缺陷的數(shù)據(jù)段，這樣它們就被排除在光盤(pán)讀取和寫(xiě)入過(guò)程之外。這降低了缺陷率，隨著微型化繼續(xù)快速發(fā)展，降低了生產(chǎn)成本。
量子傳感器可以測(cè)量大腦活動(dòng)。
微型傳感器可以應(yīng)用于各種各樣的場(chǎng)景，因?yàn)榈教幎加腥醮艌?chǎng)，甚至在大腦中也有“只要電子運(yùn)動(dòng)，它們就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，”上海自動(dòng)化儀表有限公司說(shuō)。所以當(dāng)我們思考或感覺(jué)時(shí)，我們的大腦產(chǎn)生磁場(chǎng)。研究人員熱衷于將這種大腦活動(dòng)定位，以確定負(fù)責(zé)某種功能或感覺(jué)的大腦區(qū)域。這可以通過(guò)使用電極測(cè)量腦波來(lái)直接完成，但結(jié)果非常不精確。磁場(chǎng)測(cè)量提供了更好的結(jié)果。然而，目前使用的傳感器有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)，即必須用液氮冷卻。利用金剛石的極熱導(dǎo)率，新技術(shù)可以在室溫下進(jìn)行操作，無(wú)需冷卻。在這個(gè)應(yīng)用中，你不用使用細(xì)小的小塊，而是使用小的血小板，這些小的血小板聚集了多個(gè)氮-空位中心。每個(gè)中心提供一個(gè)點(diǎn)在圖像和一起，一個(gè)詳細(xì)的圖片。
然而目前，我們上海自動(dòng)化儀表有限公司的團(tuán)隊(duì)正集中精力研究和優(yōu)化鉆石作為一種高科技材料。這一應(yīng)用在量子傳感器技術(shù)是一個(gè)有希望的開(kāi)始。
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