氮原子大小的量子感測器：可用於下一代硬碟檢測！
背景
目前，小型化是電子元器件重要發展趨勢之一，筆者之前也為大家介紹了眾多體現這一趨勢的創新成果，這裡就不一一介紹了。然而，任何事情都會有利有弊，小型化同樣也會帶來一些問題。
例如硬碟這一存儲器件，它的缺陷率也會隨著其自身的小型化急劇增長。然而，這一問題也並不是沒有解決方法，新興的量子技術讓我們看到了新的希望，它在降低缺陷率的同時減少生產成本，助力硬碟的進一步走向小型化。
（圖片來源：維基百科）
創新
近日，德國弗勞恩霍夫應用固體物理研究所（Fraunhofer IAF）的科研人員與馬克斯普朗克固體研究所 （Max Planck Institute for Solid State Research）的同事們合作開發出新型量子感測器。感測器本身只比氮原子稍大一點，並採用人造鑽石作為基底。它不久將可用於測量下一代硬碟的微弱磁場。
（圖片來源：Fraunhofer IAF）
技術
集成電路正變得日益複雜。現在，一個奔騰處理器約含有3千萬個晶體管。硬碟中的磁結構的大小經測量只有10到20納米，小於直徑80到120納米的流感病毒。這個尺寸正在迅速逼近量子物理學的範疇。
德國弗萊堡弗勞恩霍夫應用固體物理研究所的科研人員一直都在積極應對未來量子技術的挑戰。與其他科研團隊一樣，他們也想到了鑽石。
鑽石具有一系列優點，例如它具有強大的機械和化學穩定性。此外，植入外來原子例如：硼或磷，可以將鑽石晶體轉化為半導體。對於光學電路來說，鑽石也是最佳材料。但是，它最佳的特性也許是可觀的導熱性，因為它的碳原子間的鍵合力非常強大，從而保證了熱量可以快速消散。
之前，筆者介紹過鑽石應用於量子技術的科研成果，例如：澳大利亞科學家利用鑽石量子感測器，通過量子成像的方法，對於石墨烯中的電子運動情況進行了研究，並且給出了非常直觀的圖像。
（圖片來源：David A. Broadway/cqc2t.org）
過去幾十年來，Fraunhofer IAF 開發了製造鑽石的優化裝置。這種量產工藝發生於等離子體反應堆中，弗萊堡擁有許多這種銀色的裝置。等離子體被點燃，產生出800到900度的高溫，因此一旦氣體送入試驗腔中，鑽石層會在方型的基底上形成。鑽石晶體的邊長在3到8毫米之間，然後與基底分開，然後使用激光磨光。
（圖片來源：Fraunhofer IAF）
製造創新型量子感測器需要一種特別純凈的晶體，這也啟發了工藝中的進一步改善。例如，為了生長超純的鑽石層，為鑽石提供碳原子的甲烷需要使用鋯過濾器提前過濾。在它的頂部，氣體必需達到同位素意義上的純凈，因為只有碳12（碳原子的一種穩定的同位素）的核自旋量子數為0，這也是以後作為磁場感測器的先決條件。氫也經過了凈化處理，在這之後，超純的單晶體鑽石就為扮演磁場探測器的角色做好了準備。
這裡有兩種辦法：要麼直接將單個氮原子插入到極細的尖端中，或者在金剛石製造的最後一步插入氮原子。之後，研究團隊會在超凈實驗室中，通過氧等離子體蝕刻法珩磨出非常細的鑽石尖端。最終生成的極細的鑽石尖端類似於原子力顯微鏡。整個設計的關鍵是在晶格結構中的相鄰空位間導入氮原子。
這種結合的氮空位中心實際上就是感測器，在暴露於激光或者微波中時會發光。如果附近有一個磁場，它發出的光線就會變化。專家們稱之為順磁共振光譜學。
價值
這項技術不僅能夠檢測到納米精度的磁場，而且也可以判斷它們的力，開啟了一系列的超常規應用。例如，這種極細的鑽石尖端可用於檢測硬碟品質。這些數據儲存器件結構緊湊，而且總有微小的錯誤。量子感測器可以識別有錯誤的數據段，從硬碟讀取和寫入過程中排除這些錯誤數據段。
這種微小的感測器具有一系列潛在應用，因為微弱的磁場無處不在，甚至在大腦中。IAF 專家 Christoph Nebel 表示：「無論電子如何移動，它們都會產生磁場。」所以當我們思考或者感知的時候，我們的大腦會產生磁場。研究人員熱衷於定位腦部活動，判斷大腦的哪些部位是負責特定的功能和感知。
直接使用電極測量腦電波可以完成這一任務，但是結果非常不準確。磁場測量的結果要好很多。然而，目前使用的感測器有一個顯著的缺陷，就是它們必需通過液氮冷卻。藉助鑽石強大的導熱能力，這項新技術能夠在室溫下工作，而且無需任何冷卻。對這個應用而言，你可以使用含有多個氮空位中心的小盤取代細尖。每個中心都為圖像貢獻一個點，一起形成一幅詳細的圖像。
未來
目前，Christoph Nebel 及其團隊正在專註於他們的研究，將鑽石優化為一種高科技材料。這種量子感測器技術應用是一個非常有前景的開端。
關鍵字
鑽石、量子技術、磁
參考資料
【1】https://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2018/January/sensor_the_size_of_a_nitrogen_atom_investigates_hard_drives.html
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