延年益壽的奈米鑽石氮空位缺陷
- 上線日期：2013/12/23 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
奈米鑽石中的氮空位(nitrogen-vacancy, NV)缺陷非常適合應用於未來量子科技，像是量子計算與奈米感測等。然而，目前奈米鑽石大多含有高密度順磁性(paramagnetic)雜質，使得氮空位中心的電子自旋非常容易受到破壞，自旋方向最多僅能維持數微秒，亦即無法使用於實際的量子資訊儲存。最近美國研究人員使用新式遮罩及離子蝕刻製程，所製作出高純度奈米鑽石具有創紀錄(>200 µs)的自旋同調時間(spin coherence time)。
所謂的氮空位缺陷發生於鑽石內兩相鄰碳原子分別被氮原子及空缺取代時。具此缺陷的奈米鑽石因為無毒、具光穩定性(photostable)且能輕易地注入活細胞內，可作為理想的生物探針。氮空位缺陷同時可用來偵測來自於電子或核子自旋的微弱磁場，因此能作為高敏磁共振探針，在數十奈米的距離可偵測局部自旋變化。一般磁共振生物成像技術需數百萬自旋方能測得訊號，氮空位缺陷能以奈米級空間解析度測得單一自旋。
然而，一般高壓高溫製程所成長之奈米鑽石具有高密度的順磁性雜質(即為氮)，造成氮空位缺陷中過短的自旋同調時間。美國麻省理工學院(MIT) Dirk Englund發展出一套「由大作小」(top-down)的製作技術，利用自組裝多孔性金屬光罩與反應離子式蝕刻生產極高純度的奈米微晶。如此微晶的氮空位缺陷能維持其自旋態達210 µs。這些缺陷同時有破紀錄的磁場靈敏度(290 nT Hz–1/2)，可製作直徑僅50 nm的磁場探針。氮空位缺陷亦可用置於光電結構中作為單光子源或固態量子位元(quantum bit, qubit)。過去氮空位缺陷所形成的量子位元非常脆弱，所記錄的量子資訊很快地遭受周圍環境噪訊的破壞。
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