|
超纯人造钻石为从量子计算到癌症诊断等领域提供了发展机遇—— 量子物理学：有缺陷的完美 赵 煦/编译
元素六公司生产的纯净钻石，缺陷不到十亿分之一
● 在俄罗斯钻石中，规则的碳原子晶格偶尔会被氮原子打断，同时一个相邻的碳原子也会不翼而飞，包括在每一个这样的空位中，都可能有一个额外的电子陷落其中。在某些特定情况下，空位中的电子或可被证明是量子计算，或是存储信息的完美媒介。不像其他候选材料，这些钻石缺陷在室温下即可发挥作用。
“魔力俄罗斯钻石”，正如有些研究人员所称呼的那样，仅有2平方毫米，晶莹剔透，且拥有一种能令所有珠宝商都乐意将其放置于昂贵的戒指中的优秀品质。2005年，德国斯图加特大学的物理学家约尔格·瑞契阿普（Jorg Wrachtrup）团队花费了大部分时间所寻找的就是像它一样东西。最后，通过浏览俄罗斯科学院的期刊，他们了解到这些罕见宝石的物理属性而找到了它。然而，瑞契阿普对蕴含于这种钻石中的美并不感兴趣，吸引他的是这种石头的纯净和它的完美缺陷。 在俄罗斯钻石里，规则的碳原子晶格偶尔会被氮原子打断，同时一个相邻的碳原子也不翼而飞。在每一个这样的空位中，都可能会有一个额外的电子陷落其中。这些杂质本身没有什么不寻常的，但瑞契阿普等人从理论上认为，在某些特定情况下，空位中的电子可被证明是量子计算——一种通过利用模糊的量子力学而大大加快运算速度的可能——或是存储信息的完美媒介。不像此类信息存储的其他候选材料，这些钻石缺陷在室温下即可发挥作用。 为了验证这一想法，瑞契阿普实验室将分割后的另一半钻石，送给马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）团队用于研究。截止到2006年底，两个团队都显示，俄罗斯钻石证明理论是正确的。“这颗钻石显示了我们以前从未见过的特性。”瑞契阿普说。 自那时起，很多研究团队相继进入这一领域。在2005年，全世界只有少数几个组织涉足钻石的量子可能性研究；而现在，有大约75个机构或团队从事这一研究（俄罗斯钻石已被切割开，并分到了各个团队），但迄今仍未发现其他天然宝石具备这一物理属性。 随着越来越多的队伍进入了这一行业，一些潜在应用的想法开始产生。令钻石在存储量子信息方面拥有的同样属性，也使它们以令人难以置信的精度在感应磁场方面有理想的表现。这一点可以用来“窃听”活细胞的实时活动过程：微型传感器可以提供比传统的磁共振成像（MRI）高十亿亿倍的灵敏度得到细胞水平的成像，允许研究者映射神经元的电活动或观看细胞的药物反应。 “我们真的解决了我们以前一直没能解决的问题。”瑞契阿普说。 从无到有 钻石爱好者对杂质都很熟悉，因为它们拥有能给石头带来异样色泽的能力：氮能够产生黄色；硼能将它们变成蓝色。令物理学家感到兴奋的是这些缺陷中所捕获的电子的“自旋”。其量子属性为：在同一时刻，可能向上，也可能向下，或介于两者之间。这种模糊性是量子计算所必需的基本单元——量子比特，或简称为qubits。与常规计算机比特开或关不一样的是，量子比特拥有在多重状态下同时存在的能力，使计算机能够执行并行计算。 诸如自旋之类的量子属性相当脆弱，很容易为外界干扰所影响。钻石或成为量子比特的最佳候选材料，是因为它的刚性晶体结构有助于隔离并保护所捕获电子的脆弱的量子态不被随机扰动所影响。而自旋却可以通过微波进行操纵，并运用激光进行读取。 天然钻石通常在大约1 000个原子中就含有一个缺陷，而将它们用于信息存储或是太多了：这些缺陷是如此接近，以致它们会相互干扰，这意味着电子不能稳定地长时间保持给定的自旋态。相比之下，俄罗斯钻石在每十亿个碳原子中才含有不足一个氮原子。 早在2005年，瑞契阿普的试验就表明，俄罗斯钻石中的电子可以维持定义自旋态近一毫秒；其他的唯一能够保持自旋态达到那么长时间的是那些被超级冷却到接近绝对零度，并维持在高真空的装置中。钻石使科学家可以在室温下使用日常的实验室设备更改和读取单个电子的量子态。“这有点像游戏规则的改变者。”首批开展量子级的钻石研究者之一，现在伊利诺伊州芝加哥大学工作的物理学家大卫·奥沙隆（David Awschalom）说。 超纯钻石 量子级的人造钻石制造商试图达到至少与俄罗斯钻石相同水平的纯度。与用作珠宝或工业切割的那些石头不一样的是，这些钻石不是通过把碳块放在高温高压下生成的，而是将诸如甲烷和氢气之类的气体加热成等离子体，而碳原子则被一层层地沉积在模板上。 总部位于英国的元素六公司的实验室，致力于人工合成钻石达50年以上。2013年7月，该公司在英国牛津附近的哈威尔创办了一个投资为2 000万英镑的全球创新中心，旨在研究和开发出更好的钻石产品方案（目前每年售出几百个用于量子研究的纯净钻石成品）。自2007年以来，它的为具体项目而定制的钻石生产每年都翻一番，迄今总量已达到1 500件。
元素六公司目前销售的是一种杂质低于十亿分之一的超纯钻石，在其中，科学家可以植入他们所想要得到的缺陷（每块钻石价值约1 000美元）。为生产这些定制的钻石，科研人员在所需的层面设置缺陷，并控制不同的碳同位素的水平。“逐个原子地构建，它赋予了你能够控制杂质的能力，”公司研发运营经理杰夫·斯卡斯布鲁克（Geoff Scarsbrook）说。该公司不计成本地将这些钻石提供给研究人员，目的是发展知识产权和拓展新的市场。“我们要具备长远眼光。”斯卡斯布鲁克说。 元素六公司的长远目标值得称道。不过，生产单一的量子比特是一回事，而生产一个运用许多相互协作的量子比特的可操作的量子计算机又是另外一回事了——运用其他材料进行相关研究的人员已经发现了这一点。自从上个世纪90年代中期，有些系统已经逐渐成为量子比特的主要候选材料，包括电磁场捕获离子以及超导电路，但必须是在被超级冷却的情况下。运用这些系统工作的科学家们，仍在处理干扰和将多个比特联结成可用的系统方面挣扎着。迄今为止，世界上最好的多用途量子“计算机”，是一种由十几个量子比特构成的玩具模型，但仅能做一些诸如数字15的分解的小任务而已。 然而，现在有些钻石可以保护量子比特，使它们免受干扰的时间足够长，做一些有意义的事，荷兰代尔夫特理工大学的纳米科学家罗纳德·汉森（Ronald Hanson）如是说。例如，卢金团队在2012年报告称实现了钻石的量子比特寿命超过一秒，与在被捕获的原子中已经实现的持平，比超导电路好出约10 000倍（其团队将所捕获电子的自旋仅用作一个信使）。为了真正地保持信息，他们使用了相邻杂质的量子自旋属性——比如氮原子或碳-13同位素——这比通常对电子自旋的干扰敏感性低出约1 000倍。当它们不充当信使时，有一种控制电子自旋的方法在理论上可将量子比特的寿命延长至一分钟。
由钻石蚀刻而成的纳米尺度的柱子，可被用作磁性探针
量子比特 然而，将量子比特连接起来——这涉及到“纠缠”状态，以使得它们能够协同起来执行运算——是一个更大的挑战。瑞契阿普的做法是在一个序列中以相隔约20纳米的距离排列钻石的缺陷，这样能使得被捕获的电子相互接近，足以发生纠缠。然而，生产商很难制造出如此精确缺陷的钻石；并且，缺陷如此地接近，则意味着如果量子态存在的话，每个电子的自旋就必须被精确控制——这就如系统大小的扩展一样，更难以实现。 另外一种方法是，汉森团队去年报道过的飞行媒介：光子——它可与电子自旋发生纠缠，也可以在光子相互之间发生纠缠——连接相隔3米的钻石量子比特。这可以证明，将量子网络用于远距离信息交流时特别有用。但要将汉森的系统用于实际工作，量子比特就必须在比其自身寿命要短得多的时间内发生纠缠——这意味着纠缠在一秒内要发生许多次——到目前为止，汉森及其合作者只是在每隔10分钟一次的纠缠制造中取得过成功。 包括汉森、卢金以及剑桥麻省理工学院的德克·英格伦（Dirk Englund）在内的物理学家们，正在试图通过在钻石薄膜中构建微小的孔穴和镜子——这有助于反弹周围的光子以提高纠缠发生率，并让它们有更多的机会与电子量子比特发生相互作用。汉森认为，这将使得纠缠发生的次数降低至几分之一秒成为可能。要做到这一点，钻石薄膜厚度将不超过几百纳米，且需要从大块钻石中费力得来。“这样做非常繁琐，”瑞契阿普说，“简直就是件艺术活。” 到目前为止，由钻石制成的最为复杂的量子计算系统——分别由两个不同的团体独立完成——包括四个相互纠缠的量子比特。如果要将相互纠缠的量子比特扩展至10个以上，则将需要一项协同工程，瑞契阿普说。但对于量子计算而言，钻石仍然是一个可行的选择，因为它的最大卖点就在于其能在室温和非真空的条件下长时间保持量子信息的能力。“这种结合体的确有望取得成功。”汉森说。 微小磁铁 当研究者们还在量子计算领域奋战时，钻石的其他方面应用已经开始加快了其步伐。最早从事钻石的量子属性探索的研究者中，有部分人员开始意识到，微妙的自旋态受到其环境影响的方式可以被善用。电子的自旋有一个磁矩，这使它们表现得像微小的磁棒，对它们附近的其他磁场具有敏感性。 有些传感技术，比如MRI，利用与氢原子中固有的自旋相似的现象去窥视人体内部——但要求数以百万计的原子接收到同一个信号，并且，为了达到最大的精确度，机器需要被冷却到极低的温度。而钻石探针可以足够的小，足以接近其目标，便于在室温下获取从单一的原子中发出的信号——原子的磁场影响了电子的自旋，这可用激光读取出来。 目前，利用钻石缺陷测量相对较大的磁场的传感器已在研发当中。在小尺度下，还有一些原理验证性的研究，包括在一个仅有5立方纳米大小的油滴，甚至在一个单一的分子中进行自旋测量。2011年，一个由澳大利亚墨尔本大学的劳埃德·霍伦贝格（Lloyd Hollenberg）领导的团队，把纳米钻石植入到活细胞中，使科学家能够在其中研究微小的磁场变化。瑞契阿普说，一个基钻探针能够完全显示一个复杂分子的结构，例如一个蛋白质，或大脑中的监控活动，或对药物在细胞中发生反应的追踪——所有这些都是在不改变被观察的生命系统的情况下进行的。 卢金团队还利用纳米钻石探针，通过监测被捕获电子敏感的自旋对钻石晶格冷热所产生的反应，在细胞内读取出精确到一度的百分之几的温度。纳米钻石探针应该能探测到一度的千分之几的变化，并且可被用来推断生物过程，例如肿瘤代谢。 然而，将纳米级的超纯钻石制作成微小的探针，的确是一件令人头痛的事：包括元素六公司使用沉积法生产钻石，而这种方法的后果是难以将它们与基础模板分开。大多数用纳米钻石探针开展的原理验证性工作，是在高温高压下压制的相对不纯的钻石中进行的。因此，限制了它们的灵敏度。 英格伦团队的一个创新方法目前正在被马萨诸塞波士顿钻石纳米技术公司（由英格伦与他的前博士后共同创建）推向商业化。他们把钯金点涂在纯净的钻石上，然后蚀刻掉表面暴露在外的比特，由此产生的一连串外面镶金的钻石柱（也称“纳米草”）可被修剪，其金外衣容易被去除，从而形成单个微小的钻石柱。当用这种方法制作时，被钻石缺陷所捕获的电子比常规的纳米钻石电子所保持的自旋时间要长100倍。该公司用这些钻石柱创建了一个磁场传感器样机，其灵敏度足以检测到仅有几个电子所发出的磁场。 替代钻石 研究人员仍需对生产过程进行改进，就好似他们要实现缺陷、大块薄膜和复杂的钻石结构的完美且精确地结合，仍有很长的路要走。而拥有这种令人满意的特性，对于许多半导体材料来说是正常的，包括硅。 奥沙隆团队正在探索能否用硅材料仿造钻石中的看似独特的属性。2011年，他的团队发现，碳化硅——一种在电子产品中使用了几十年的制造大块薄膜的相对便宜的半导体——可拥有缺陷，且其中所束缚的电子表现出与钻石中相同的量子怪异特性。尽管他的团队已经制造出碳化硅量子比特，但它们缺乏钻石量子比特的主要优点：到目前为止，室温下在碳化硅中所捕获的电子自旋态的寿命比钻石中的要短20倍——这对于大多数实际应用来说，太短暂了。 目前，奥沙隆团队正在尝试用各种不同的方法延长碳化硅的量子比特的寿命，包括净化材料同位素的组成。他们还与加州大学圣巴巴拉分校的理论家克里斯·范德瓦尔（Chris Van de Walle）合作，分析其他晶体材料中的哪些缺陷可能与钻石的属性匹配。“这绝对是一个非常有前途的新方向，”英格伦说，“可能还有很多，只是我们不知道。” 但对大多数研究人员而言，钻石仍是他们的首选材料。由于具备极高的纯度与可控的自旋态，目前人造钻石的光芒胜过任何天然宝石。正是如此，原始的“魔力俄罗斯钻石”依然在证明着其自身的价值。 [资料来源：Nature][责任编辑：则 鸣] |
|
|
