为量子技术设计金刚石超透镜

从化学层面来看，钻石不过是排列在一个精确的三维晶格中的碳原子。然而，即使是看似完美无瑕的钻石也有缺陷: 晶格中缺少碳原子或被其他东西取代的点。其中一些缺陷是非常可取的; 它们捕获可吸收或发射光的单个电子，从而钻石中产生各种各样的颜色，更重要的是，为高级计算，安全通信和精确传感创建各种量子技术平台。

宽砂带,锆刚玉砂带,碳化硅砂带,堆积磨料砂带,陶瓷磨料砂带,棕刚玉砂带

量子技术基于称为“量子比特”的量子信息单位。电子自旋是作为量子位的主要候选者; 与数据仅采用0或1的形式的二进制计算系统不同，电子自旋可以在量子叠加中同时将信息表示为0、1或两者。量子科学家对钻石的量子位元特别感兴趣，因为它们的量子力学性质(包括叠加)是在室温下存在的，而不像其他许多潜在的量子资源。

宾夕法尼亚大学工程师设计了一种方法来模拟钻石表面，使其更容易从内部缺陷中收集光线。 这种表面结构称为超透镜，包含纳米级特征，可以弯曲和聚焦缺陷发出的光，尽管它实际上是平的。

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该研究由电子与系统工程系助理教授Lee Bassett，研究生Tzu-Yung Huang和Bassett实验室的博士后研究员Richard Grote领导。Bassett Lab的其他成员David Hopper，Annemarie Exarhos和Garrett Kaighn也为这项工作做出了贡献，辛格纳米技术中心业务发展总监Gerald Lopez以及阿姆斯特丹纳米光子学中心的两名成员Sander Mann和Erik Garnett也做出了贡献。

利用量子系统潜在能量的关键是能够创造或发现能够可靠操纵和测量电子自旋的结构，考虑到量子态的脆弱性，这是一项艰巨的任务。Bassett的实验室从多个方向着手应对这一挑战。最近，该实验室开发了一种基于一种叫做六方氮化硼的二维(2d)材料的量子平台，由于其极薄的尺寸，使得更容易获得电子自旋。在目前的研究中，研究小组使用了一种含有天然缺陷的三维材料，这种材料具有控制电子自旋的巨大潜力:钻石。

Bassett说:“我们使用超表面的概念来设计和制造钻石表面的结构，它就像一个透镜，从钻石中的单个量子位元中收集光子并将其导入光纤，而之前这需要一个大型的自由空间光学显微镜。”“这是我们努力实现紧凑量子器件的第一步，这种器件不需要满屋子的电子器件和自由空间光学元件。”

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超表面由复杂的纳米级图案组成，这些图案可以实现在宏观尺度上不可能实现的物理现象。研究人员的超透镜由一组柱子组成，每一根柱子都有1微米高，直径100-250纳米，它们像传统的弯曲透镜一样聚光。金属蚀刻在钻石表面，并与其中一个NV中心对齐，将代表电子自旋状态的光直接导入光纤，简化了数据收集过程。

尽管纳米制造伴随着挑战，但是超表面工程所提供的灵活性为量子技术的实际应用提供了重要的优势：Huang说“我们决定将来自NV中心的光线对准光纤，因为它很容易与过去十年来为紧凑型光纤技术开发的其他技术相结合。”“与其他光子结构的兼容性也很重要。你可能想在钻石上加上其他结构，而我们的超透镜不排除其他光学增强。”

“量子工程领域现在正在迅速发展，这在很大程度上归功于来自物理学，材料科学，光子学和电子学等许多学科的思想和专业知识的融合，”巴塞特说。 “Penn Engineering在所有这些领域都表现出色，所以我们期待未来会有更多的进步。最终，我们希望将这项技术从实验室转移到现实世界，为我们的日常生活带来改变。“

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金刚石是自然界存在的特殊材料之一，具有最高的硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、高绝缘、宽能隙、高的声传播速率以及良好的化学稳定性等，如下表。虽然天然金刚石具有这些独一无二的特性，但是它们一直仅仅是以宝石的形式存在，其性质的多变性和稀有性极大地限制了其应用。而洛阳誉芯金刚石制备的CVD金刚石膜将这些优异的物理化学性能集一身，且成本较天然金刚石低，能够制备各种几何形状，在电子、光学、机械等工业领域有广泛的应用前景。