中国科大在高性能金刚石量子器件制备上取得重要进展

中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、王亚等人在金刚石量子器件制备方向取得重要进展，发展了一种全新的基于自对准的光子学器件制备加工技术，可将氮-空位色心这一原子级量子传感器以纳米级精度加工到金刚石器件最佳工作位置，实现接近最优光学探测性能的量子传感器阵列。这项研究成果以“Self-aligned patterning technique for fabricating high-performance diamond sensor arrays with nanoscale precision”为题发表在《科学进展》[Sci. Adv.8, eabn9573 (2022)]上。

研究背景

金刚石，俗称“钻石”，具有高硬度、高稳定性、高透光性、高热导率以及超高的禁带宽度等优异的物理化学性质，在超精密加工、光学材料以及半导体电子器件等工业领域有着广泛的应用。近十多年来，科学家发现金刚石中一种可以发光的原子尺度晶格缺陷--氮-空位色心（简称NV色心）具有极大的量子应用前景，让存在缺陷的不“完美”金刚石变得在实用性上更加“完美”。NV色心不仅可以以纳米空间分辨率对电磁场、压力等多种物理量在室温大气乃至极端环境下进行精密测量，也可以建立多体量子纠缠，用于研究量子信息等基础问题，在前沿基础科学、高科技产业等领域有重大应用价值。

图1：制备技术方法示意图

制备高性能金刚石量子器件是金刚石量子信息技术实用化的关键技术。以金刚石量子传感器为例，其原理是利用器件内的NV色心将外界的微弱物理信号转换为自身荧光强度信号来进行探测，因此在不牺牲其他物理性质前提下，提高NV色心光子计数率是提升传感器性能的一个关键指标。在过去几年中，人们积极致力于开发用于提高NV色心荧光强度的金刚石微纳米光子学结构，例如固体浸没透镜、柱形波导、圆形牛眼光栅、抛物面反射器、倒置纳米锥等。但目前传统的制备技术无法精确控制微纳米结构中NV色心位置，导致器件制备效率低下，性能难以达到预期(图2(a))，其主要原因是NV色心制备工艺和金刚石结构刻蚀工艺之间的对准难题(图1左)。通常这一对准精度需要优于20纳米，方能达到光学器件理论上最优的光学性能。