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量子物理学实现在钻石中操纵电子轨道

作者: 发布时间:2018-05-21 浏览次数:2046
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量子物理学实现在钻石中操纵电子轨道

    虽然钻石中的缺陷大多是不可取的, 但某些缺陷是量子物理学家***好的朋友, 有可能储存一些信息, 有朝一日可能被用于量子计算系统。康奈尔大学的应用物理学家已经展示了一种用于设计这些缺陷的一些关键光学特性的技术,为探索量子力学提供了一种新工具。

    由应用和工程物理学教授Greg Fuchs领导的一组研究人员成为***个使用谐振器产生的振动来帮助稳定这些光学特性的研究团队,迫使钻石的电子进入兴奋的轨道状态。就像计算机的晶体管通过“开”或“关”记录二进制信息一样,这些原子级钻石缺陷的内部状态也可以表示信息位,比如它的自旋——角动量的固有形式——“向上”或“向下”。但不同于只有两个状态的晶体管,自旋具有在同一时间上下运动的量子能力。这些量子态结合起来,可以比晶体管更好地记录和共享信息,让计算机以曾经无法想象的速度进行某些计算。

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    挑战:很难将量子信息从一个地方转移到另一个地方。物理学家们已经尝试了大量的材料和技术,包括在已知为氮空位中心的钻石的原子缺陷中使用光学性质。Fuchs补充说:“钻石氮空位中心非常擅长的一件事是沟通。因此你可以拥有一个电子自旋,这是一个很好的量子态,然后你可以将它的状态转换成光的光子。光子可以将这一点信息带到另一个缺陷。” “这样做的一个挑战就是稳定它并使其按照你想要的方式工作,我们提供了一个新的工具箱,用于设计光跃迁,希望能够使它变得更好。”

    研究团队首先需要设计一种能够通过钻石缺陷发送振动波的装置。由单晶金刚石制造而成的一个千兆赫频率的机械谐振器,然后通过缺陷发送了大约1兆赫的声波振动。我们的目标是利用声音来改变缺陷的光跃迁,即从一个能量状态到另一个能量状态的变化导致光子的发射。这些转换倾向于基于各种环境条件而波动,使得难以产生相干光子来携带信息。

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    例如,随机波动的电场可能会使光跃迁波长不稳定,据领导这项研究的博士生Huiyao Chen说。"为了抑制这些非相干波动的影响," Chen说, "我们可以做的一件事是消除电子轨道与不需要的、随机电场之间的耦合。这就是谐振器产生的声波会发挥作用的地方。

   为了知道实验是否奏效,研究团队使用带有可调波长激光器的显微镜扫描钻石的氮空位中心。当激光的波长与光学跃迁发生共振时,可以看到发射的光子,这是电子已经达到激发态的确切指示。研究人员随后研究了声波如何改变轨道状态,从而改变光跃迁。

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    随着CVD合成技术的提高,洛阳誉芯金刚石通过采用气体原料(氢气、甲烷)在低于1个气压,800-1200℃的温度下采用外延生长的方式获得完全透明无色大尺寸金刚石单晶,其成分、硬度、密度等与天然钻石基本一致,而价格远远低于天然钻石;与高温高压法(HTHP)不同,CVD人工成合技术不需要使用催化剂,杜绝了生产中形成的金属夹杂、裂隙、孔洞等。

特点:打磨后的净度一般为VVS及以上级别,色度为D-J色。

可提供克拉级的钻石原胚。

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