这些传感器可以集成到现有微电子系统中。

美国研究人员启动了一个耗资100万美元的项目，利用金刚石中的微小缺陷开发量子传感器，以非凡的灵敏度测量电磁场。

这项工作是位于伊利诺伊州的美国能源部阿贡国家实验室（ANL）开展的一个新的三年期项目的一部分。研究人员将制造能够精确测绘电磁场的紧凑型传感器。

这些设备还可以集成到粒子加速器和其他实验中。科学家们表示，理解电磁力如何影响粒子对粒子物理学至关重要。

阿贡国家实验室研究员、项目共同负责人纳扎尔·德莱根博士强调：“这是可能到来的量子革命的又一前沿。五到十年前，这还有些像科幻小说。但现在我们倾向于认为，这些是让设备对其他科学家和我们自己有用的切实途径。”

金刚石的微小缺陷

在该项目中，研究人员研究了金刚石中称为氮-空位中心（NV中心）的微小缺陷。当一个氮原子取代金刚石结构中的碳原子，并位于一个缺失碳原子留下的空位旁边时，就会形成这些缺陷。

这些缺陷具有不同的量子能态，会响应周围的磁场和电场。为了读取这些变化，研究人员依赖光和微波。这些缺陷就是这样转化为高灵敏度电磁传感器的。

上图是在阿贡国家实验室，使用特殊工具从更大的一层材料上切割并移除金刚石薄膜。

虽然阿贡国家实验室多年来一直在开发NV中心技术，但新项目现在将专门针对高能物理对其进行调整。德莱根指出，该平台将首次允许量子传感器直接集成到现有微电子系统中。“从工程和科学角度来看，我们拥有相当广泛的灵活性，”他补充说。

这可能使该技术适用于不同的粒子物理实验，例如那些涉及高辐射水平、需要极高测量精度或设备空间有限的实验。由于金刚石耐辐射，这些传感器可以在苛刻的环境中良好工作。

探索宇宙

作为该项目的一部分，科学家们的目标是开发多项技术，例如超高精度NV量子传感器以及能够在大范围内测绘磁场的系统。此外，他们还将探索能在电磁场快速变化的环境中运行的传感器阵列。

第一阶段将侧重于根据高能物理的要求定制金刚石材料。随后，传感器将在实验室和运行环境中进行测试，例如具有强磁场和高辐射水平的区域。最后，该团队计划制造可投入现场使用的原型，并将其集成到未来的实验中。

阿贡国家实验室物理学家、项目负责人彼得·温特博士在一份新闻稿中表示：“我们正在寻找一个相当多样化的平台，能够在各种情况下实现这种场测绘。”传感器的小尺寸还可以减少实验周围所需的电缆和其他仪器的数量。

如果成功，该项目可以帮助研究人员进行更精确的测量，并通过利用金刚石中微小缺陷的量子特性，开辟探索宇宙基本本质的途径。美国能源部将通过高能物理办公室的量子信息科学项目支持这项工作。

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