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德國研發(fā)氮原子大小的量子傳感器可測量微磁場

儀表研發(fā) 2018年03月07日 09:37:31來源：科技部 20929

摘要近日，德國弗勞恩霍夫應用固體物理研究所（IAF）和馬普固體研究所科研人員共同研發(fā)出一種量子傳感器，未來可用于測量微磁場。

　　【儀表網儀表研發(fā)】量子技術為電子元件小型化開辟了新的途徑。近日，德國弗勞恩霍夫應用固體物理研究所(IAF)和馬普固體研究所發(fā)布消息稱，其科研人員共同研發(fā)出一種量子傳感器，未來可用于測量微磁場，如硬盤磁場和人腦電波。

　　集成電路越來越復雜，目前一臺奔騰處理器可容納約3000萬個晶體管，因而硬盤的磁性結構可識別的范圍僅為10至20納米，比直徑為80至120納米的流感病毒還小，該量級的尺寸規(guī)格只有量子物理技術可觸及。新研發(fā)的量子傳感器則可測量這類用在未來硬盤上的微小磁場。新型量子傳感器僅有氮原子的大小，作為載體物質的是一種人造金剛石。金剛石具有很好的機械和化學穩(wěn)定性以及超強的導熱性能，可通過引入硼、磷等外來原子，將晶體制成半導體，且非常適用于光學電路。

　　IAF的研究人員在近幾十年中研制并優(yōu)化出用于生產金剛石的設備，一種專用的橢圓形等離子體反應堆模具。在800-900攝氏度的高溫下，在金剛石底物上從導入甲烷氣和氫氣中可長出金剛石層，再將邊長3-8mm的晶體從底物剝離并拋光，后制造出具備量子物理用途的、僅含碳原子穩(wěn)定同位素C12的超純單晶金剛石晶體。所用的甲烷氣經鋯過濾器凈化，氫氣經其它手段凈化。

　　研究人員制做磁場檢測器有兩種途徑：直接植入單個氮原子，或在制造金剛石的后一步加入氮。之后，在超凈室內采用氧等離子體蝕刻法均可制作出類似于原子力顯微鏡的纖細金剛石尖。關鍵點是導入的氮原子以及晶格中的相鄰空位。該氮空位中心就是實際的傳感器，用激光和微波照射時會發(fā)光，發(fā)出的光可隨附近磁場的強度變化而變化。專家們將這項創(chuàng)新與光學探測磁共振(ODMR)相提并論。

　　這種傳感器不僅能準確檢測到納米級的磁場，還能確定其強度，應用潛力驚人。例如，可監(jiān)控硬盤質量，檢測出密集存儲數(shù)據(jù)中的小錯誤和發(fā)現(xiàn)有缺陷的數(shù)據(jù)片段，在刻寫和讀取前即將其去除。因此，可減少隨著小型化的加速而迅速增加的廢料，降低生產成本。IAF的專家稱，這種量子傳感器還可用于測量很多微弱磁場，包括腦電波。與目前使用的腦電波傳感器相比，不僅更準確，而且在室溫下即可使用，無需經液氮冷卻。

　　(原文標題：德國成功研發(fā)氮原子大小的量子傳感器)

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