希望钻石的亮蓝色是由其晶体结构中的小杂质造成的。类似的钻石杂质也给希望创造可用于量子计算和量子传感的材料的科学家带来希望。在美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的一项新研究中，研究人员创造了极薄的纯金刚石膜。然而，在膜晶体结构的一些位置，研究小组用其他原子取代了碳原子，特别是氮原子。这些缺陷与相邻的原子空位(原子缺失的区域)相连，从而形成了被称为“色心”的不寻常的量子系统。这样的色心是存储和处理量子信息的场所。

Argonne 的科学家们配备了一种廉价且轻松地制造具有坚固色心的金刚石膜的方法，他们希望建立一种装配线，用于为世界各地的量子实验生产大量此类膜。

该研究的主要作者、芝加哥大学研究生郭兴汉说，培养膜的能力可能是加强致力于量子信息科学的不同实验室之间合作的门票。

“基本上，我们希望这最终将使我们有能力成为量子传感材料的一站式商店，”郭说。

“钻石中的缺陷对我们来说很有趣，因为它们可以用于量子应用，”阿贡大学材料科学部和芝加哥大学普利兹克分子工程学院的科学家、Q-NEXT 的合作者 Nazar Delegan 说。“制造这些膜使我们能够将这些缺陷与其他系统整合在一起，并实现新的实验配置。”

钻石机械坚硬、化学稳定且价格昂贵——换句话说，它是一种科学噩梦，众所周知，难以制造和整合。与此同时，钻石的特殊结构使其成为可以长时间存储量子信息的色心的绝佳宿主，郭说。

“传统的金刚石作为基材非常难以使用，”他说。“我们的膜更薄，更易于进行广泛的实验。”

研究人员制造的新型金刚石材料提供了更高的晶体和表面质量，从而能够更好地控制色心的相干性。

“您可以将膜剥离并放在各种基材上，甚至放在硅片上。这是一种廉价、灵活且简单的色心处理方法，无需直接使用传统钻石，”郭说.

“因为我们能够控制和保持这些非常薄的材料中单个缺陷的量子特性，这使得该平台有望成为量子技术的基础，”德莱根说。

基于该研究的论文发表在 2021 年 12 月 13 日的Nano Letters网络版中。