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量子传感器对钻石的研究和开发起到重要作用

来源：上海自动化仪表有限公司作者：发表时间：2018-02-26 10:04:08【小中大】

随着电子元件越来越小，量子技术为微型化带来了新的机遇。不久，上海自动化仪表有限公司的研究人员开发的一种新的量子传感器将能够测量下一代硬碟的微小磁场。

在Fraunhofer IAF开发的等离子体反应器的特殊椭球体，允许进行大规模的钻石分离。

用于量子应用的Fraunhofer IAF生产的超纯钻石。

集成电路正变得越来越复杂。这些天，奔腾处理器包含约3000万个晶体管。在硬盘驱动器中发现的磁性结构，直径只有10到20纳米，比流感病毒直径80到120纳米还要小。维度正在迅速地接近量子物理领域，而弗劳恩霍夫应用固体物理研究所的研究人员已经将自己应用于未来的量子技术挑战。他们和马克斯•普朗克固体研究所的同事们一起开发了一种量子传感器，能够精确测量我们在下一代硬盘中所能看到的微小磁场。传感器本身只是略大于一个氮原子，以人造金刚石作为基底。

金刚石除了具有相当的机械和化学稳定性外，还有各种各样的优点。例如，一个人可以植入诸如硼或磷等外来原子，从而将晶体变成半导体。金刚石也是光学电路的理想材料。但也许它最大的特点是它令人印象深刻的导热性，而碳原子键的强度保证了热量的迅速消散。

在过去的几十年里，Fraunhofer IAF开发了用于生产钻石的优化系统。大规模生产的过程发生在等离子体反应堆中，而弗莱堡拥有许多这种银色装置。等离子体被点燃以产生800到900摄氏度的温度，这样当气体进入室内时，钻石层就可以在方形的基底上形成。钻石晶体的边缘长度在3到8毫米之间，然后用激光将其从基体中分离出来。

准备钻石作为磁性探测器。

制造创新的量子传感器需要一个特别纯的水晶，这激发了这个过程的进一步改进。例如，为了增加超纯钻石层，为钻石提供碳的甲烷使用锆过滤器预过滤。最重要的是，气体必须是同位素纯的，因为只有12C——一个稳定的碳原子的同位素——具有零核自旋，这是以后磁性传感器的先决条件。氢气也经过净化处理，在此之后，超纯单晶金刚石必须准备好作为磁性探测器的角色。这里有两种选择:要么将一个氮原子插入极细的尖端，要么在钻石生产过程的最后阶段添加氮。在此之后，在研究所自己的洁净室中使用蚀刻工艺在氧等离子体中打磨钻石尖。最后的结果是一个极好的钻石尖端，类似于原子力显微镜。整个设计的关键是在晶体结构中加入氮原子和相邻的空位。

这种结合的氮-空位中心充当了实际的传感器，当它暴露在激光和微波时发出光。如果附近有磁铁，它的光发射就会变化。专家称这种电子自旋共振光谱。这种技术不仅能检测出具有纳米精度的磁场，还能确定其力，从而开启了一系列非常广泛的应用。例如，小的钻石小费可以用来监控硬盘的质量。这些数据存储设备都是紧凑的，而且总是有微小的错误。量子传感器可以识别有缺陷的数据段，这样它们就被排除在光盘读取和写入过程之外。这降低了缺陷率，随着微型化继续快速发展，降低了生产成本。

量子传感器可以测量大脑活动。

微型传感器可以应用于各种各样的场景，因为到处都有弱磁场，甚至在大脑中也有“只要电子运动，它们就会产生磁场，”上海自动化仪表有限公司说。所以当我们思考或感觉时，我们的大脑产生磁场。研究人员热衷于将这种大脑活动定位，以确定负责某种功能或感觉的大脑区域。这可以通过使用电极测量脑波来直接完成，但结果非常不精确。磁场测量提供了更好的结果。然而，目前使用的传感器有一个显著的缺点，即必须用液氮冷却。利用金刚石的极热导率，新技术可以在室温下进行操作，无需冷却。在这个应用中，你不用使用细小的小块，而是使用小的血小板，这些小的血小板聚集了多个氮-空位中心。每个中心提供一个点在图像和一起，一个详细的图片。

然而目前，我们上海自动化仪表有限公司的团队正集中精力研究和优化钻石作为一种高科技材料。这一应用在量子传感器技术是一个有希望的开始。

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