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采用新方法而合成纳米钻石,可应用于量子计算

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(文章来源:环球创新智慧)

据美国华盛顿大学官网近日报道,该校与海军研究实验室以及太平洋西北国家实验室的研究人员宣布了一种新的合成方法,它能将硅、氩、氮元素掺杂到纳米金刚石中,创造出发光点缺陷,使之可应用于医学研究、量子计算、量子通信、量子成像等领域。钻石,可谓家喻户晓,以极度纯净著称,象征着爱情与忠贞。在珠宝首饰商店里,我们可以看到各种钻戒和钻石项链。

钻石的原身是金刚石。金刚石是一种碳元素单质晶体。它是自然界中天然存在的最坚硬的物质,同时也有着很强的色散特性,可以将白光分散成五颜六色的光。在金刚石晶体中,碳原子按四面体成键方式互相连接,组成无限的三维骨架,是典型的原子晶体。与其同素异形体“石墨”相比,金刚石在内部碳原子排列方式与外表物理特征上都存在巨大差异。

然而,让科学家们感到兴奋的,并不是成为装饰珠宝的那种钻石,而是比人类发丝宽度更细的微观品种,也称为“纳米钻石”或“纳米金刚石”。它几乎完全由碳组成。但是,研究人员将其他元素(例如硅和氮)掺入到纳米金刚石的晶格中(这种方法称为“掺杂”),就会制造出“空位发光中心”,也就是所谓的“发光点缺陷”。含有这种缺陷的金刚石可广泛应用于医学研究、量子计算、量子通信、量子成像等领域。

空位发光中心,可成为一种强大的量子位,因为其中的电子“自旋”会具有叠加态。这些电子可用于存储量子信息,也可用于激发单光子。空位发光中心发出的单光子可保持量子位的叠加态,作为量子互联网长距离通信的信息载体。

在一篇于5月3日发表在《科学进展(Science Advances)》期刊上的论文中,美国华盛顿大学、海军研究实验室以及太平洋西北国家实验室的研究人员宣布,他们可以采用极高的压力与温度掺杂纳米金刚石。团队采用这个方法将硅掺杂到纳米金刚石中,使金刚石可发出深红色的光。这一特性使得这些金刚石对于细胞和组织成像来说非常有用。

团队发现,他们的方法也可以将氩掺杂到纳米金刚石中。氩气是一种与气球中的氦气相似的惰性气体。 纳米金刚石与这些元素掺杂,可应用于量子信息科学。量子信息科学是一个迅速扩大的领域,包括量子通信与量子计算。华盛顿大学材料科学与工程系副教授、太平洋西北国家实验室的研究员、论文通信作者表示:“这种方法使我们通过仔细选择合成期间采用的分子启动材料,故意将其他元素掺杂到金刚石纳米晶体中。”

掺杂纳米金刚石还有其他方法,例如离子注入。但是,这个工艺往往会破坏晶体结构,而且掺入的元素被随意放置,从而限制了性能与应用。在这里,研究人员决定不在纳米金刚石合成之后进行掺杂。取而代之的是,他们掺杂分子成分,来创造具有他们想掺入的元素的纳米金刚石,然后再采用高温与高压来合成含有这些元素的纳米金刚石。

基本上来说,这就像做蛋糕:将糖先添加到面糊中,比在烘焙之后再将糖添加到蛋糕中,要容易得多,效率也更高。

团队打造纳米金刚石的起点是一种富含碳的材料(Pauzauskie 称它类似于木炭)。研究人员将这种材料制作成一种称为“气凝胶”的轻量、多孔基体。然后,他们在碳气凝胶中掺入了称为“正硅酸乙酯”的含硅分子,该分子通过化学方式集成到碳气凝胶中。研究人员将反应物密封在金刚石对顶砧垫圈中,这样会在垫圈内产生高达15吉帕的压力。作为参考,1吉帕差不多是1万个大气压,或者海洋最深处压力的10倍。

金刚石对顶砧垫圈的侧视图。它被用于在靠近对顶砧中间的两个合成金刚石之间生成超过15吉帕的压力。(图片来源:Mark Stone/华盛顿大学)

为了防止在如此极端的压力下气凝胶被压坏,他们采用了氩气。氩气在1.8吉帕斯卡的压力下变成固体,成为一种压力介质。在将材料放置到高压环境中之后,研究人员采用激光加热对顶砧达3100华氏度以上,超过太阳表面温度的三分之一。他们与华盛顿大学化学工程系荣誉教授 E. James Davis 的合作中发现,在这样的温度下,固态氩融化形成超临界流体。

华盛顿大学研究员 Abbie Ganas 与 Matthew Crane 操作设备,采用激光将金刚石对顶砧垫圈的温度加热至3100华氏度以上,超过太阳表面温度的三分之一。通过这个工艺,碳气凝胶被转化为含有发光点缺陷的纳米金刚石,这些发光点缺陷由硅基掺杂物分子形成。纳米金刚石发出深红色光线,其波长约为740纳米,这在医学成像中非常有用。掺杂其他元素的纳米金刚石会发出其他颜色的光线。

Pauzauskie 表示:“我们向元素周期表上扔飞镖,只要我们击中的元素溶于金刚石,我们就可以采用这种方法将这种元素掺杂到金刚石中。你可以制造出宽光谱纳米金刚石,它可以根据不同的成像用途,发出不同颜色的光线。我们也可以采用分子掺杂法,以两种或者更多的不同掺杂原子,制造出更加复杂的点缺陷,包括之前从未创造出来的新缺陷。”

令人吃惊的是,研究人员发现,他们的纳米金刚石也含有其他两种他们并未打算掺入的元素,即作为压力介质的氩和来自空气的氮。就像研究人员想要掺入的硅一样,氮与氩已经完全融入到纳米金刚石的晶体结构中。这标志着,科学家们首次采用高温、高压组装技术,将惰性气体元素(氩)掺杂到纳米金刚石的晶格结构中。将惰性原子与化合物中的其他材料结合,并不容易。

Pauzauskie 表示:“这是一个意外的收获,彻底出乎我们的意料。但是,将氩融合到纳米金刚石中的事实表明,这个方法有望用于创造其他的点缺陷,这些点缺陷有望应用于量子信息科学研究。”下一步,研究人员希望故意地在纳米金刚石中掺入氙气(另外一种惰性气体),从而有可能应用于量子通信和量子传感等领域。

最终,团队的方法也将有助于解开一个宇宙之谜:纳米金刚石已经在外太空被发现,而外太空的某些物质(例如超新星或高能碰撞),会在纳米金刚石中掺入惰性气体。尽管 Pauzauskie 及其团队开发的方法是用于在地球上掺杂纳米金刚石,但是他们的发现将帮助科学家们了解哪些外星事件触发了远离我们家园的宇宙掺杂。
     (责任编辑:fqj)

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