新技术精准打印纳米钻石港大工程学者在量子器件制造取得突破

新技术以纳米级精度打印含有NV色心的纳米金刚石

 (原新闻稿已于4月24日发布)

钻石不仅仅是漂亮的宝石，对物理学家而言，钻石中的瑕疵更具吸引力。

NV色心（nitrogen-vacancy centres）是一种在金刚石（钻石的原石）晶体结构中最常见的点缺陷，是当前最具代表性的量子体系。NV色心是原子级别的固态设备，拥有光学可调的自旋自由度，在固态量子处理器中发挥量子比特和量子探测器等核心功能，是重要的量子材料。

现今的量子体系，例如超导量子干涉仪，只能在极低温环境下进行操作（−150°C/ −238°F至绝对零度−273°C/  −460°F)。由于NV色心在室温下也具有强力的量子态，这对于实现室温量子器件尤其重要。

要实现相关应用，对量子技术的一个核心要求是要能在集成电路上精准地放置细至单个的NV色心。而相关的技术突破，势将带动量子计算机、量子通讯和量子生物感知等重要新兴领域的发展。

目前的主要技术阻碍，在于定位精度粗糙、通量低和工艺复杂等问题。现行有好几种方案，用于将具有NV色心的纳米金刚石颗粒定位在各种基板和电路上，当中包括复杂的“拾取和放置”纳米操作方法，但效果并不理想。

香港大学（港大）工程学院机械工程系Ji Tae Kim博士和电机电子工程系褚智勤博士领导的研究团队，开发了一种纳米级精度的打印方法，以量子水平打印出金刚石纳米颗粒中的NV色心。

褚智勤博士（左）和Ji Tae Kim博士

研究成果已在学术期刊Advanced Science发表，论文题为“On-Demand, Direct Printing of Nanodiamonds at the Quantum Level”，新技术获挑选为期刊底面的当期精选故事。这项发明已申请美国专利。

Advanced Science期刊底面的当期精选研究

“钻石是最坚硬的材料，因此很难加工”

新方法足以应对此难题，研究团队通过对含有纳米金刚石的亚公升液滴（< 10-18 升）进行电控的分发，直接将NV色心放置在通用的基底上。

在量子水平上打印的NV色心。 a) 共聚焦荧光图像。 b) 相应荧光点的二阶关联函数g(2)(τ)。 c) 每个点所打印的 NV 色心的数量分布直方图。

「当前十分需要一种通用并且灵活的用于实现纳米级精度、并兼具优良可扩展性、可控成本以及与广泛的纳米光子电路可兼容的金刚石颗粒定位方法。我们研发的新技术，能体现出亚波长的定位精度、单缺陷级的数量控制水平和自由图案化的能力，满足相关的技术要求。这种新颖的方法将为制造量子讯息处理器、量子计算器和生物传感器等量子器件，开拓出一条实用且具经济效益的出路。」褚智勤博士说。

“On-Demand, Direct Printing of Nanodiamonds at the Quantum Level” 论文连结：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202103598

期刊底面精选故事：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202270032