钻石在量子技术中的价值，往往并不来自完美无瑕的晶体结构，而是来自经过精确控制的缺陷。最新研究表明，局部紫外激光脉冲可以改变钻石中的特定缺陷，同时保持附近的氮-空位中心完好无损。这一结果可能帮助研究人员提高基于钻石的量子器件的可控性。
这项发表于Diamond and Related Materials的研究，使用266纳米紫外激光脉冲照射单晶化学气相沉积钻石的局部区域。脉冲持续时间仅为数纳秒，使能量集中在小范围内，而不是加热整个材料。
该研究应对的是量子硬件面临的一项实际挑战：用于制造或改变某种缺陷的技术，可能会意外影响附近的另一种缺陷。当器件依靠氮-空位（NV）中心作为量子比特和传感器时，选择性控制尤为重要。
钻石缺陷为何重要
在原子尺度上，完美的钻石晶格是由碳原子重复排列而成的结构。缺陷会打断这种排列。尽管“缺陷”听起来可能并不理想，但其中一些原子尺度的结构赋予了钻石有用的光学和电子特性。
NV中心就是一个例子。当一个氮原子与相邻的空位出现在钻石晶格中时，就会形成NV中心。这些中心可以用作量子比特，也可以作为磁场和电场的高灵敏探针。因此，它们既与量子信息研究相关，也适用于传感应用。
但正是使NV中心发挥作用的这种敏感性，也可能让其容易受到局部环境中不必要变化的影响。研究人员需要能够改变目标缺陷数量，同时不削弱希望保留的NV中心特性的方法。
局部紫外照射
在这项实验中，研究人员Emmanuel E. Umukoro使用波长为266纳米的紫外光照射单晶CVD钻石。激光脉冲持续时间仅为数纳秒，并施加于晶体的局部区域。
研究目的并不是加热整块钻石，而是测试局部光激发是否能够以受控方式改变特定晶格缺陷。随后，研究人员使用光致发光成像，检查与缺陷结构相关的发射在受照区域中的变化。
这种局部化方法十分重要，因为量子器件通常需要在小尺度上进行控制。能够改变材料大范围区域的处理方式可能适用于块体加工，但对于必须更加精确地放置、修改或保留缺陷的系统而言，其适用性较低。
保护材料中已有的量子比特
该研究所描述的核心结果是选择性：紫外激光处理可以加工某些钻石缺陷，同时保持氮-空位量子比特完好。实际上，这一发现表明，光学处理可能提供一种调节钻石缺陷分布中某一部分的方法，而不必干扰其中的全部缺陷。
这种区别很重要，因为钻石可以在相近位置容纳多种缺陷。如果修改过程不加区分地影响每一种缺陷，就可能抹去或削弱器件原本要利用的量子行为。能够区分这些影响的技术，可能为设计人员提供更多选择。
这项研究并不意味着在任何条件下都能独立控制每一种缺陷。相反，它证明了在所研究的材料和实验配置中，紫外脉冲至少可以作为一种选择性工具。要确定这种方法能否广泛适用于不同钻石样品、器件架构以及所需的缺陷组合，还需要进一步研究。
量子技术面临的制造问题
许多量子系统都面临一个共同的工程问题：展示一个量子比特是一回事，制造大量性能可重复的器件则是另一回事。在钻石中，这一挑战包括控制能够产生有用量子态的缺陷，同时避免不必要的损伤或变化。
激光加工具有吸引力，部分原因在于光可以聚焦到有限区域。短脉冲紫外光则通过快速、局部地输送能量，增加了另一种潜在的控制手段。这项新成果表明，缺陷工程方法或许能够在钻石制备完成后，对其进行有针对性的改变。
对于探索量子传感器的研究人员而言，这可能很有价值，因为NV中心及其周围环境的行为会决定器件能够测量什么。对于依赖在工程化材料中保持相干且可用量子比特的量子信息实验而言，这一成果也可能具有意义。
从缺陷到器件组件
这项研究更广泛的启示是，缺陷正在成为设计元素。在传统材料研究中，完美往往是目标。而在量子材料中，经过精心选择的缺陷可能承担关键功能。
对于基于钻石的平台而言，下一步并不只是制造更多缺陷，而是在合适的位置制造合适的缺陷，同时保留已经具有价值的缺陷。这项紫外脉冲实验朝着更具选择性的材料控制迈出了一步。
随着量子技术从实验室演示走向组件更多、容差更严格的器件，在不干扰相邻量子比特的情况下操纵原子尺度结构的能力，可能会变得越来越重要。这项研究表明，局部紫外光可以成为实现这一目标的工具之一。
本文根据Phys.org的报道编写。阅读原文。
Originally published on phys.org
