MIT首次在芯片上打造基于金刚石的量子传感器 或取代车辆上的GPS

据外媒报道，美国麻省理工学院的研究人员首次在硅片上制造了一种基于金刚石的量子传感器，为低成本、可扩展的量子计算、传感和通信硬件铺平了道路。

金刚石中的“氮空位中心”是一种可以通过光和微波控制的电子缺陷。然而，这种缺陷会发射彩色光子，携带周围磁场和电场的量子信息，可用于生物传感器、目标检测和其他传感应用。然而，传统的基于NV的量子传感器与餐桌一样大，并且配备了昂贵的分立组件，限制了其实用性和可扩展性。然而，麻省理工学院的研究人员已经找到了一种方法，可以使用传统的半导体制造技术将包括微波发生器、滤光器和光电探测器在内的所有笨重组件集成到只有毫米的封装尺寸中。值得注意的是，该传感器可以在室温下工作，并具有感应磁场方向和强度的能力。研究人员已经证明，该传感器可以用于磁性测量，这意味着它可以测量由周围磁场引起的原子级频率变化，其中可能包含有关周围环境的信息。经过进一步改进，该传感器还可以用于其他领域，例如绘制大脑中的电脉冲图和检测漆黑环境中的物体。什么是氮空位中心？如果金刚石晶格结构中两个相邻的碳原子消失，一个原子被氮原子取代，另一个位置“缺失”，就会导致NV中心，导致结构中的键丢失。这种结构中的电子对周围环境的电、磁和光学财产的微小变化极为敏感。NV中心本质上是一个原子，周围有一个原子核和电子。它还具有光致发光财产，可以吸收和发射有色光子。微波扫过NV的中心可以使其改变状态，从而改变电子的自旋。根据自旋，NV中心将发射不同数量的红色光子。光学检测磁共振技术可以测量NV中心与周围磁场相互作用后发射的光子数量，从而产生关于磁场的可量化信息。为了实现这一切，传统的传感器需要各种笨重的部件，包括安装在其上的激光器、电源、微波发生器、用于传输光和微波的导体、滤光器和传感器以及读出部件。然而，麻省理工学院的研究人员开发了一种新的芯片架构，该架构利用标准的互补金属氧化物半导体技术以某种方式定位小型、廉价的组件，并将它们堆叠在一起。钻石内部的NV中心是芯片的“感应区域”，一个小的绿色激光会激发NV中心。同时，放置在NV中心附近的纳米线将根据电流产生扫频微波。基本上，激光和微波协同工作，从NV中心发射不同数量的红色光子，而不同的是研究人员需要的目标信号。NV中心下方是一个光电二极管，可以消除噪声并测量光子。在钻石和光电二极管之间是一个金属光栅，它起到滤波器的作用，可以吸收绿色激光光子，同时允许红色光子到达光电二极管。简言之，ODMR设备可以在芯片上实现，以测量具有磁场信息的红色光子的共振频率变化。但是芯片如何才能完成大型机器的工作呢？关键是移动产生微波的电线，以保持与NV中心的最佳距离。即使芯片很小，这个距离也足以产生足够的磁场，使线电流能够操纵电子。此外，在设计中考虑了微波导线和电路，并将其紧密集成到芯片中。研究人员表示，它的设计可以产生足够的磁场用于目标检测。今年早些时候，研究人员还推出了第二种传感器，该传感器经过改进设计，灵敏度提高了100倍。研究人员表示，接下来，他们的灵敏度将提高1000倍，这意味着扩大芯片尺寸以增加NV中心的密度。如果成功，传感器甚至可以用于神经成像应用，也就是说，传感器被放置在t附近……

神经元来检测神经元放电的强度和方向，从而帮助研究人员绘制神经元之间的连接图，并观察哪些神经元相互触发。其他应用包括在车辆和飞机上取代GPS，即使在没有GPS的环境中，量子传感器也可以成为极其精确的指南针，因为它们能够准确地绘制地球磁场。

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