研究人員將基於金剛石的感測元件整合到一顆晶片上，實現了低成本的高效能量子器件。
金剛石中的“氮空位（NV）中心”是由一個氮原子取代金剛石中的一個碳原子，然後捕獲周圍的一個空穴形成的，是一種獨特的熒光光散射吸收光譜晶格缺陷。結構中缺失的化學鍵，使電子對周圍環境中的電、磁和光學特性的微小變化極為敏感。在響應中，它們會發射出帶有周圍磁場和電場量子資訊的有色光子，可用於生物感測、神經成像、物體檢測和其他感測應用。但是，傳統的基於NV的量子感測器大約有一張餐桌那麼大，其昂貴的分立元件限制了它的實用性和可擴充套件性。
近期在Nature Electronics上發表的一篇論文中，MIT研究人員利用傳統半導體制造工藝，將所有大型元件（包括微波發生器、光學濾波器和光電探測器）整合到了一顆毫米級的封裝中。值得注意的是，該感測器可在室溫下執行，能夠檢測磁場的方向和強度。
研究人員展示了這款感測器在磁測量中的應用，利用這款感測器能夠測量周圍磁場引起的原子級頻率偏移，其中包含了有關周圍環境的資訊。通過進一步完善，該感測器或將具有廣泛的應用，從對映大腦中的電脈衝到檢測物體（即使完全看到不物體也可以實現探測）。
該論文作者MIT電氣工程與計算機科學系（EECS）研究生Christopher Foy說：“磁場很難阻擋，這對於量子感測器而言是一個巨大的優勢。例如，如果車輛在我們正下方的地下隧道中行駛，即使我們完全看不到它，也可以將其檢測出來。”
該論文其它作者包括EECS研究生Mohamed Ibrahim；Donggyu Kim博士；EECS博士後Matthew E. Trusheim；EECS助理教授兼太赫茲整合電子研究組負責人Ruonan Han；EECS副教授、電子研究實驗室（RLE）研究員、量子光子學實驗室負責人Dirk Englund。
微型化，再堆疊
NV中心本質上是一個具有原子核和周圍電子的原子。它還具有光致發光特性，這意味著它會吸收併發射有色光子。掃過NV中心的微波可以改變其狀態（正電、中性和負電），進而改變其電子的自旋。然後，根據自旋，它會發射出不同數量的紅色光子。
一種被稱為光學檢測磁共振（ODMR）的技術，通過與周圍磁場相互作用來測量發射出的光子數量。這種相互作用產生了有關磁場的更多可量化的資訊。為了使所有這些過程正常執行，傳統感測器需要尺寸龐大的元件，包括鐳射器、電源、微波發生器、光和微波傳輸導體、光學濾波器和感測器以及讀出元件等。
相比之下，MIT的研究人員開發了一種新穎的晶片架構，可以使用標準的互補金氧半導體（CMOS）技術以某種方式定位並堆疊這些微型化的低成本元件，因此它們可以像那些大尺寸元件一樣工作。Ibrahim說：“CMOS技術可以在晶片上實現非常複雜的3D結構。我們能夠在晶片上構建一個完整的系統，頂部只需要一片金剛石和一個綠色光源，可以是一顆常規的晶片級LED。”
金剛石片中的NV中心位於晶片的“感應區”。利用一個小型綠色泵浦鐳射器激發NV中心，而靠近NV中心放置的奈米線則用來響應電流而產生掃描微波。光和微波共同作用，使NV中心發射不同數量的紅色光子，其差異便是研究人員實驗中讀出的目標訊號。
NV中心下方是一個光電二極體，用於消除噪聲並測量光子。在金剛石和光電二極體之間是一個金屬光柵，作為濾光片，吸收綠色鐳射光子，同時允許紅色光子到達光電二極體。簡而言之，這實現了一種片上ODMR器件，該器件可以利用攜帶周圍磁場資訊的紅色光子測量共振頻率偏移。
但是，一顆晶片如何完成大型裝置的工作呢？一個關鍵技巧就是簡單地移動產生微波的奈米導線，使其獲得與NV中心的最佳距離。即使晶片非常小，通過精確的距離也可以使奈米線電流產生足夠的磁場來操縱電子。微波奈米導線及電路的緊密整合和協同設計也很重要。在他們的論文中，研究人員能夠產生足夠的磁場，從而能夠實際應用於物體檢測。
還處於起步階段
今年早些時候在國際固態電路會議上發表的另一篇論文中，研究人員介紹了針對該設計經過多項改進的第二代感測器，以實現提高100倍的靈敏度。接下來，研究人員將根據他們的“路線圖”將靈敏度提高1000倍。預計將擴大晶片以增加NV中心的密度，而這決定了感測器的靈敏度。
如果獲得成功，這款感測器甚至可以用於神經成像。這意味著將感測器放在神經元附近，可以檢測激發神經元的強度和方向。這可以幫助研究人員繪製神經元之間的連線，並弄清楚哪些神經元會相互觸發。
這種感測器未來的其他應用還包括替換車輛和飛機中的GPS。地球上的磁場分佈已經繪製得非常完善，因此在GPS受限的環境中，這款量子感測器還可以作為極為精確的指南針。
Han表示：“我們還僅處於這項研究的起步階段。這將是一段漫長的開發過程，但是我們已經取得了兩個里程碑，分別是第一代和第二代感測器。我們計劃先從感測到通訊，再到計算。我們清楚繼續研究的方向，也知道如何獲得理想的結果。”
哈佛大學高階講師Ron Walsworth說：“我對這種量子感測器技術充滿期待，我認為它將對多個應用領域產生重大影響。”Ron Walsworth的研究團隊正在利用NV中心開發高解析度磁強測量工具。
“他們在金剛石量子感測器和CMOS技術的結合方面邁出了關鍵的一步，其中包括片上微波的產生和傳輸，以及來自金剛石量子缺陷的攜帶資訊熒光的片上過濾和檢測。他們製得的器件結構緊湊且功耗較低。下一步研究將是進一步提高感測器的靈敏度和頻寬，並將這種CMOS金剛石感測器與廣泛的應用相結合，包括化學分析、NMR光譜和材料表徵等。”Ron Walsworth補充說。