中國粉體網訊 在大眾認知里，“完美無缺”似乎是金剛石的終極追求，雜質、缺陷都是要被剔除的“不完美”。但在量子科技的世界里，情況卻恰恰相反：一顆帶著“可控缺陷”的金剛石，正憑借這份獨特的“不完美”，成為量子感知領域的“香餑餑”。量子金剛石作為一種極具潛力的新型材料，憑借其獨特的物理性質，在量子傳感、生物醫學、精密測量等眾多領域展現出巨大的應用價值。其中，基于金剛石中氮-空位（NV）色心的量子特性，為實現高靈敏度的物理探測提供了可能。
01 缺陷奧秘，金剛石的“不完美”密碼
從微觀層面來看，金剛石是由碳原子按照特定的晶格結構排列而成的晶體。在理想狀態下，每個碳原子都與周圍的四個碳原子通過共價鍵緊密相連，形成規整的四面體結構，這種高度有序的排列賦予了金剛石卓越的硬度和穩定性。然而，在實際情況中，由于各種因素的影響，晶格中難免會出現一些“小插曲”，也就是我們所說的缺陷。
金剛石NV色心
所謂色心，是指晶體內部結構被破壞后形成的晶體缺陷，NV色心是金剛石多種色心中的一種。金剛石NV色心是金剛石中一個碳原子被一個氮原子取代，在鄰近處產生了一個空位，空位周圍是三個懸空鍵的碳原子，這是一種具有C3v對稱結構的點缺陷。在金剛石NV色心的物理結構圖中，綠色球體代表的是碳原子，黃色球體代表的是替位氮原子，紫色球體代表的是空位的位置。金剛石NV色心正是因為這種結構，才能在常規測試條件下能保持優良的量子特性。
金剛石NV色心的物理結構示意圖
NV0和NV-
金剛石NV色心在室溫條件下主要以NV0和NV-兩種不同帶電狀態存在。前者是指它的電荷態為中性，含有五個電子，其中有三個來源于碳原子，兩個來源于氮原子；后者是指呈負電荷態，含有六個電子，通常由NV0捕獲一個電子后形成的。一般情況下，這兩種電荷態均同時存在金剛石NV色心中，特定條件下，可以完成兩種電荷態的相互轉化。目前，NV-態色心被廣泛研究，在量子應用中具有重要地位。
02 量子特性：缺陷催生的神奇力量
金剛石NV中心可被看作是自旋S=1的電子自旋，其基態是自旋三重態，可作為自旋量子計算和量子傳感的工作能級。NV中心自旋量子態的初始化和讀出都是通過自旋依賴的光學躍遷過程實現的。在激光輻照下，ms=0的自旋狀態會被激發到激發態并輻射熒光光子返回基態，故ms=0被看作“亮態”；而ms=±1的自旋狀態在激發后有更大的概率通過自旋單態路徑回到的狀態，對應過程輻射偏少，故ms=±1態被看作“暗態”。
金剛石氮空位中心自旋量子傳感工作原理：(a)自旋能級結構和光學躍遷；(b)外場對金剛石氮空位中心基態能級的影響(從上至下：壓強、溫度、磁場)
因此，通過測量熒光強度就可以判斷NV中心自旋狀態。基于同樣的過程，幾微秒的連續激光極化即可將NV自旋抽運到ms=0的狀態上，實現高保真度的自旋態初始化。除了極化和讀出自旋狀態，還需要將自旋制備到特定的量子態（如疊加態）上，一般可通過射頻微波脈沖來實現。施加脈沖的頻率對準自旋進動頻率，通過控制脈沖長度、幅度和相位參數，可以實現自旋量子傳感器任意量子態的制備。
03 NV色心制備：實現量子應用的基礎
NV色心的制備需要同時具備氮原子和空位，其中氮原子可以來自含氮金剛石，也可以由外部引入，而空位可以通過粒子撞擊晶格結構等方法產生。準確控制NV色心的濃度和位置是其開發應用的前提。天然金剛石中也存在著NV色心，不過含量和位置是隨機的，難以滿足實際要求，因此人們開展了大量關于色心制備方法的研究，包括電子輻照法、CVD法、離子注入法、飛秒激光輻照法等。
CVD法是分解含碳氣體在基底上結晶生成金剛石的技術。混合氣體在真空高溫條件下分解成具備含碳基團的等離子體球，隨后在基底上積淀結晶生成金剛石。在生長過程中，可以通過在基底或氣源摻入雜質，制造相應的色心。在基底摻雜便于制造淺層色心，在氣源摻雜則便于控制色心的制備過程。CVD法能夠調節金剛石晶體的大小和色心的含量。通過CVD法制備的單NV色心不僅純度高，其相干時間τ還可以達到毫秒量級。
元素六在2020年就推出首款商用化學氣相沉積法（CVD）量子級金剛石DNV-B1™，對那些研究氮空位系統（用于量子演示、脈射器、射頻輻射探測、陀螺儀、傳感和進一步項目）的人來說，是一種理想的初始材料。基于該公司豐富的經驗和獨特的專利工藝定制開發的CVD金剛石解決方案——DNV-B1™，是第一種廣泛可用的通用量子級材料。
DNV-B1™CVD金剛石，圖源：元素六
04 金剛石在量子中的應用
NV色心憑借其優秀的光學和自旋特性在量子傳感領域和量子信息領域得到了廣泛的應用。
金剛石色心的應用
量子計算：金剛石NV色心可作為一種量子比特的理想載體，同時該種自旋量子比特在室溫下就有極長的相干時間，而且用光學方法和射頻微波脈沖就可以實現極高效率的量子操控，這使得量子金剛石是實現量子計算的杰出候選。
量子傳感：基于激光和微波實現的NV色心電子自旋量子態操控和探測，可以實現對磁場、溫度、電場、應力等物理量的精密測量。依據傳感單元的尺寸和傳感方式，基于金剛石NV色心的傳感系統可以分為共聚焦光路、寬場成像、光纖體系等。
量子通信：金剛石NV中心穩定的自旋狀態與光、微波相互作用特性，使其成為量子通信中理想的量子比特載體。利用金剛石制備量子中繼器，能夠有效延長量子通信的傳輸距離，克服信號衰減等難題，為構建全球量子通信網絡提供關鍵支撐。
Element Six（元素六）一直專注于人造金剛石等超硬材料的合成與加工工藝，提供尖端的金剛石和硬質合金精密部件，是金剛石先進材料的全球領導者。元素六利用人造金剛石的極端特性，在光子學、聲學、電力傳輸、水處理、熱管理和傳感器等領域開辟新的可能性。
2025年11月5日，中國粉體網將在河南•鄭州舉辦“2025半導體行業用金剛石材料技術大會”。屆時，我們邀請到Element Six（元素六）亞洲戰略業務總監秦景霞出席本次大會并作題為《用于量子感知的金剛石材料》的報告，將聚焦量子金剛石材料，系統闡述量子金剛石的制備與應用：包括通過MPCVD技術精準調控N含量至ppm級別，展示量子金剛石在不同領域的獨特優勢，淺層NV中心采用電子級單晶基底直接生長工藝等。
個人簡介
秦景霞，Element Six（元素六）亞洲戰略業務總監，畢業于湖南大學機械設計制造及其自動化專業，深耕于金剛石、立方氮化硼、硬質合金等超硬材料的各種工業應用以及前沿應用十余年，立足國際領先品牌平臺，借力中國超硬材料制品行業的產業集群優勢，熟知相關產品的各類傳統應用、前沿應用及各行業發展的脈動趨勢。
參考來源：
1.元素六官網
2.陳諾誠：基于金剛石NV色心的微弱微波場測量系統研究
3.劉曉兵等：金剛石結構與功能研究綜述
4.郝鑫等：金剛石NV色心的制備及應用
5.粉體網：缺陷成就“完美”？金剛石的量子世界
（中國粉體網編輯整理/石語）
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