德國(guó)成功研發(fā)新型量子傳感器 可測(cè)量微磁場(chǎng)

　　量子技術(shù)為電子元件小型化開辟了新的途徑。近日，德國(guó)弗勞恩霍夫應(yīng)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(cè)量微磁場(chǎng)，如硬盤磁場(chǎng)和人腦電波。

　　集成電路越來越復(fù)雜，目前一臺(tái)奔騰處理器可容納約3000萬個(gè)晶體管，因而硬盤的磁性結(jié)構(gòu)可識(shí)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(jí)的尺寸規(guī)格只有量子物理技術(shù)可觸及。新研發(fā)的量子傳感器則可精確測(cè)量這類用在未來硬盤上的微小磁場(chǎng)。新型量子傳感器僅有氮原子的大小，作為載體物質(zhì)的是一種人造金剛石。金剛石具有很好的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性以及超強(qiáng)的導(dǎo)熱性能，可通過引入硼、磷等外來原子，將晶體制成半導(dǎo)體，且非常適用于光學(xué)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(chǎn)金剛石的設(shè)備，一種專用的橢圓形等離子體反應(yīng)堆模具。在800-900攝氏度的高溫下，在金剛石底物上從導(dǎo)入甲烷氣和氫氣中可長(zhǎng)出金剛石層，再將邊長(zhǎng)3-8mm的晶體從底物剝離并拋光，最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(jīng)鋯過濾器凈化，氫氣經(jīng)其它手段凈化。

　　研究人員制做磁場(chǎng)檢測(cè)器有兩種途徑：直接植入單個(gè)氮原子，或在制造金剛石的最后一步加入氮。之后，在超凈室內(nèi)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(xì)金剛石尖。關(guān)鍵點(diǎn)是導(dǎo)入的氮原子以及晶格中的相鄰空位。該氮空位中心就是實(shí)際的傳感器，用激光和微波照射時(shí)會(huì)發(fā)光，發(fā)出的光可隨附近磁場(chǎng)的強(qiáng)度變化而變化。專家們將這項(xiàng)創(chuàng)新與光學(xué)探測(cè)磁共振(ODMR)相提并論。

　　這種傳感器不僅能準(zhǔn)確檢測(cè)到納米級(jí)的磁場(chǎng)，還能確定其強(qiáng)度，應(yīng)用潛力驚人。例如，可監(jiān)控硬盤質(zhì)量，檢測(cè)出密集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中的小錯(cuò)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(chǎn)成本。IAF的專家稱，這種量子傳感器還可用于測(cè)量很多微弱磁場(chǎng)，包括腦電波。與目前使用的腦電波傳感器相比，不僅更準(zhǔn)確，而且在室溫下即可使用，無需經(jīng)液氮冷卻。