据报道,美国麻省理工学院(MIT)的研究人员首次在硅芯片上制造了基于金刚石的量子传感器,研究人员将基于金刚石的传感元件集成到一颗芯片上,实现了低成本的高性能量子器件。北京pk赛车官网公告这一突破或可为量子计算、传感和通信应用提供低成本、可扩展的微型化硬件。


北京pk赛车官网公告,MIT首次制造基于金刚石氮空位中心的量子传感器


金刚石中的“氮空位(NV)中心”是由一个氮原子取代金刚石中的一个碳原子,然后捕获周围的一个空穴形成的,是一种独特的荧光光散射吸收光谱晶格缺陷。结构中缺失的化学键,使电子对周围环境中的电、磁和光学特性的微小变化极为敏感。北京pk赛车官网公告在响应中,它们会发射出带有周围磁场和电场量子信息的有色光子,可用于生物传感、神经成像、物体检测和其他传感应用。但是,传统的基于NV的量子传感器大约有一张餐桌那么大,其昂贵的分立组件限制了它的实用性和可扩展性。


北京pk赛车官网公告近期在Nature Electronics上发表的一篇论文中,MIT研究人员利用传统半导体制造工艺,将所有大型组件(包括微波发生器、光学滤波器和光电探测器)集成到了一颗毫米级的封装中。值得注意的是,该传感器可在室温下运行,能够检测磁场的方向和强度。


研究人员展示了这款传感器在磁测量中的应用,利用这款传感器能够测量周围磁场引起的原子级频率偏移,其中包含了有关周围环境的信息。通过进一步完善,该传感器或将具有广泛的应用,从映射大脑中的电脉冲到检测物体(即使完全看到不物体也可以实现探测)。


北京pk赛车官网公告该论文作者MIT电气工程与计算机科学系(EECS)研究生Christopher Foy说:“磁场很难阻挡,这对于量子传感器而言是一个巨大的优势。例如,如果车辆在我们正下方的地下隧道中行驶,即使我们完全看不到它,也可以将其检测出来。”


该论文其它作者包括EECS研究生Mohamed Ibrahim;Donggyu Kim博士;EECS博士后Matthew E. Trusheim;EECS助理教授兼太赫兹集成电子研究组负责人Ruonan Han;EECS副教授、电子研究实验室(RLE)研究员、量子光子学实验室负责人Dirk Englund。


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微型化,再堆叠


NV中心本质上是一个具有原子核和周围电子的原子。北京pk赛车官网公告它还具有光致发光特性,这意味着它会吸收并发射有色光子。扫过NV中心的微波可以改变其状态(正电、中性和负电),进而改变其电子的自旋。然后,根据自旋,它会发射出不同数量的红色光子。


一种被称为光学检测磁共振(ODMR)的技术,通过与周围磁场相互作用来测量发射出的光子数量。北京pk赛车官网公告这种相互作用产生了有关磁场的更多可量化的信息。为了使所有这些过程正常运行,传统传感器需要尺寸庞大的组件,包括激光器、电源、微波发生器、光和微波传输导体、光学滤波器和传感器以及读出组件等。


相比之下,MIT的研究人员开发了一种新颖的芯片架构,可以使用标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术以某种方式定位并堆叠这些微型化的低成本组件,因此它们可以像那些大尺寸组件一样工作。Ibrahim说:“CMOS技术可以在芯片上实现非常复杂的3D结构。我们能够在芯片上构建一个完整的系统,顶部只需要一片金刚石和一个绿色光源,可以是一颗常规的芯片级LED。”


金刚石片中的NV中心位于芯片的“感应区”。北京pk赛车官网公告利用一个小型绿色泵浦激光器激发NV中心,而靠近NV中心放置的纳米线则用来响应电流而产生扫描微波。光和微波共同作用,使NV中心发射不同数量的红色光子,其差异便是研究人员实验中读出的目标信号。


NV中心下方是一个光电二极管,用于消除噪声并测量光子。在金刚石和光电二极管之间是一个金属光栅,作为滤光片,吸收绿色激光光子,同时允许红色光子到达光电二极管。简而言之,这实现了一种片上ODMR器件,该器件可以利用携带周围磁场信息的红色光子测量共振频率偏移。


北京pk赛车官网公告但是,一颗芯片如何完成大型设备的工作呢?一个关键技巧就是简单地移动产生微波的纳米导线,使其获得与NV中心的最佳距离。即使芯片非常小,通过精确的距离也可以使纳米线电流产生足够的磁场来操纵电子。微波纳米导线及电路的紧密集成和协同设计也很重要。在他们的论文中,研究人员能够产生足够的磁场,从而能够实际应用于物体检测。


还处于起步阶段


今年早些时候在国际固态电路会议上发表的另一篇论文中,研究人员介绍了针对该设计经过多项改进的第二代传感器,以实现提高100倍的灵敏度。接下来,研究人员将根据他们的“路线图”将灵敏度提高1000倍。预计将扩大芯片以增加NV中心的密度,而这决定了传感器的灵敏度。


如果获得成功,这款传感器甚至可以用于神经成像。这意味着将传感器放在神经元附近,可以检测激发神经元的强度和方向。这可以帮助研究人员绘制神经元之间的连接,并弄清楚哪些神经元会相互触发。


这种传感器未来的其他应用还包括替换车辆和飞机中的GPS。地球上的磁场分布已经绘制得非常完善,因此在GPS受限的环境中,这款量子传感器还可以作为极为精确的指南针。


Han表示:“我们还仅处于这项研究的起步阶段。这将是一段漫长的开发过程,但是我们已经取得了两个里程碑,分别是第一代和第二代传感器。我们计划先从传感到通信,再到计算。我们清楚继续研究的方向,也知道如何获得理想的结果。”


哈佛大学高级讲师Ron Walsworth说:“我对这种量子传感器技术充满期待,我认为它将对多个应用领域产生重大影响。”Ron Walsworth的研究团队正在利用NV中心开发高分辨率磁强测量工具。


“他们在金刚石量子传感器和CMOS技术的结合方面迈出了关键的一步,其中包括片上微波的产生和传输,以及来自金刚石量子缺陷的携带信息荧光的片上过滤和检测。他们制得的器件结构紧凑且功耗较低。下一步研究将是进一步提高传感器的灵敏度和带宽,并将这种CMOS金刚石传感器与广泛的应用相结合,包括化学分析、NMR光谱和材料表征等。”Ron Walsworth补充说。


关于量子传感器


量子传感器是根据量子力学规律、利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置。美国陆军研究实验室传感器与电子设备局物理学家Qudsia Quraishi博士指出,下一代精确传感系统涉及量子传感器,量子传感器基于激光冷却原子,极可能大幅提升系统性能。

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