----這篇文章中，Daniel Twitchen和Matthew Markham解釋了為什么碳的最具吸引力的同素異形體（譯者注：金剛石）可能會成為量子物理學家最好的朋友。

量子缺陷

       在20世紀，許多改變世界的科技都是基于量子力學的，包括半導體，激光和其他現在普遍存在的設備。然而，在整個第一次量子革命中，量子物理學的一個關鍵特性——疊加態——在很大程度上仍然存在于實驗室中，與其說是在研究它可能的應用，倒不如說研究它純粹是出于科學家的好奇心。

       然而，由于一些旨在實現第二次量子革命的重要舉措，使得這種情況即將發生變化。這場革命成功的關鍵是掌握能夠“輕松”設計和控制量子比特的能力。對于“輕松”這個詞，我們必須很謹慎，因為初始化量子態并長時間的保持在疊加態是一項艱巨的任務。科學家正在嘗試許多不同的方法，使用各種材料進行相關方面的競爭，如超導體，合成金剛石，冷原子和量子點等等。但是，無論是對量子計算還是其他應用，如磁場感應，金剛石確實具有一些吸引人的優勢。

       化“短”為長

       吸引量子準革命者的金剛石中存在一個缺陷，這個缺陷位于規則的碳原子晶格中。該缺陷由單個氮原子和缺失的碳原子或者空位相結合而組成。除了其他性質，氮空位（NV）中心具有獨特的光學吸收和發射性質，它使金剛石具有紅色到粉紅色的顏色——這些特性長期以來一直是晶體結構基礎研究的焦點。

       除了其不尋常的光學特性外，負電荷狀態下的NV中心在其基態下也具有電子自旋S = 1。值得注意的是，處于這個態的電子自旋可以在室溫下被控制和讀出。原因在于，與大多數材料不同，金剛石中的晶格形成低噪聲環境，因此不會丟失脆弱的量子特性，并且可以更長時間的存儲和探測信息。當系統被微波輻射激發時，可以通過測量由NV中心發出的光的強度來讀出自旋狀態。在NV中心2.88 GHz的共振頻率下，自旋狀態將從0翻轉到+1或-1，導致發出的紅光強度出現一個下陷。

       這種自旋狀態的穩健性和易讀性使得NV金剛石成為各種量子技術的一個非常有應用前景的平臺，潛在的應用有（量子）安全通信，（量子）計算，（量子）成像和（量子）傳感等。最近金剛石界的重點研究領域之一是使用NV缺陷來測量磁場。由于塞曼相互作用，NV金剛石中0→1和-1→0微波躍遷的頻率之間的間隙隨著磁場的增加而增加。因此，在最簡單的情況下，可以通過將NV中心暴露于不同頻率的微波中并測量發光強度兩個下陷之間的（頻率）間隔來估計磁場的大小。值得注意的是，這種類型的測量基本可以在室溫下使用單個NV中心進行。對于多個NV中心，金剛石晶格的幾何特性意味著可以對磁場的方向及其大小進行極其靈敏的測量。

（基于NV金剛石的）精密工程技術

       原料

       當然，已經存在許多估量磁場的技術。這些技術包括超導量子干涉裝置（SQUID），蒸汽室，磁通門傳感器和構成現代智能手機中指南針的霍爾效應傳感器。然而，基于SQUID的磁力計必須進行低溫冷卻，（冷卻設備）使這種磁力計變得相對笨重，而且增加了運行成本。而其他傳感器技術需要頻繁重新校準，并且只能在有限的頻率帶寬里面來測量變化的磁場。相比之下，基于NV金剛石的傳感器不需要重新校準，具有寬帶寬，可以集成到輕便、低功耗的設備中。重要的是，由于高空間分辨率的微觀探針，NV中心可以用來構建材料表面上的磁場圖。由于這些原因，基于金剛石的磁力計既可作為現有技術的替代品，也可以促進全新技術的應用。

       然而，要使這些應用成為現實，我們需要現成的高品質NV金剛石。 NV中心在天然金剛石中很少見，如果僅限于使用單個樣品，則很難進行大量研究。 我們可以使用化學氣相沉積（CVD）合成生長NV金剛石。該過程包括用氫氣，甲烷和氮氣的混合物填充微波室，并將其加熱至2500-3000K以產生等離子體。來自等離子體的碳原子逐層沉積在腔室中的金剛石“種子”表面上，這個“種子”最終會成為新金剛石的核。氫會使表面穩定，促進沉積的碳原子形成金剛石而不是石墨，而氮充當摻雜劑，使得形成NV中心成為可能。

       上面的這一過程使我們能夠以可控和可擴展的方式生長金剛石，其純度遠遠超過天然金剛石。它還可以控制NV中心的數量。在高純度條件下，通過生長過程中的化學作用產生少量的NV中心。因為這些孤立的空位可以在實驗中單獨探測，因此這種類型的NV金剛石非常適合用于進行量子計算。磁感應應用需要更多的NV中心，這一目標可以通過增加合成過程中的氮濃度，然后用高能電子轟擊晶體來創造額外的空位來實現。將金剛石加熱到800°C會使這些空位通過晶格遷移，直到它們遇到氮原子才會停止遷移; 此時，NV中心具有比單獨的氮和空位更低的勢能，因此這種結構會變得十分穩定。

       潛在的應用

       金剛石量子技術非常有前景，許多應用已經處于概念性驗證階段。這些包括材料表征中的應用，例如用于下一代磁性硬盤驅動器的寫頭的納米級成像，以及生物成像。新的壓力和溫度傳感方法，以及基于金剛石的量子計算的可能性，使這一研究領域變得激動人心而且成果累累。

       我們相信金剛石將依舊是我們理解量子世界的有用工具。然而，真正令人興奮的是基于這種理解能夠實現的技術。 2016年底，由美國哈佛大學的Ron Walsworth領導的一組研究人員利用金剛石中的NV中心研究海洋蠕蟲中的神經元活動，測量具有高空間分辨率的單個神經元的微小磁脈沖。沒有其他現有技術能夠以如此高的靈敏度和分辨率進行測量; 標準核磁共振成像的最大空間分辨率約為1 立方毫米，理論上基于金剛石的磁場感應可以為我們提供化學反應過程中細胞水平（譯者注：1-100微米之間）的圖像。有了這種原理驗證性的實驗，在理解大腦如何工作方面我們希望能獲得突破，并且能夠發展出新的診斷和治療方案。