我国科学技能大学中科院微观磁共振要点实验室杜江峰、王亚等人在金刚石量子器材制备方向获得重要开展，开展了一种全新的根据自对准的光子学器材制备加工技能，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材最佳作业方位，完成挨近最优光学勘探功能的量子传感器阵列。这项研讨成果以“Self-aligned patterning technique for fabricating high-performance diamond sensor arrays with nanoscale precision”为题宣布在《科学开展》[Sci. Adv.8, eabn9573 (2022)]上。

　　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，在超精细加工、光学材料以及半导体电子器材等工业范畴存在广泛的运用。近十多年来，科学家发现金刚石中一种可以发光的原子标准晶格缺点--氮-空位色心（简称NV色心）具有极大的量子运用远景，让存在缺点的不“完美”金刚石变得在实用性上愈加“完美”。NV色心不光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甚至极点环境下进行精细丈量，也可以树立多体量子羁绊，用于研讨量子信息等根底问题，在前沿根底科学、高科技产业等范畴有严重运用价值。

　　制备高功能金刚石量子器材是金刚石量子信息技能实用化的要害技能。以金刚石量子传感器为例，其原理是运用器材内的NV色心将外界的弱小物理信号转换为本身荧光强度信号来进行勘探，因此在不献身其他物理性质前提下，进步NV色心光子计数率是进步传感器功能的一个要害目标。在曩昔几年中，人们活跃致力于开发用于进步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。但现在传统的制备技能没办法准确操控微纳米结构中NV色心方位，导致器材制备功率低下，功能难以到达预期(图2(a))，其底子原因是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)。一般这一对准精度需求优于20纳米，方能到达光学器材理论上最优的光学功能。

　　图2：器材制作作用展现。（a）传统工艺制作器材光学计数率散布；（b）自对准工艺制作器材光学计数率散布；（c）金刚石纳米柱传感阵列电镜相片；（d）单个NV色心荧光饱满曲线测验。

　　针对以上难题，本作业研讨团队开展了一种根据自对准战略的光子学器材加工技能，经过双层掩膜图形化工艺规划完成生成NV色心所需的氮离子注入工艺和金刚石结构刻蚀工艺的自对准，精度可以到达15纳米(图1右)。运用该技能，研讨团队完成了高功能金刚石纳米柱传感阵列的制作，该纳米柱传感器可用于生物传感、纳米级磁性材料成像等前沿运用。与传统制作技能比较，器材显示出高度一致且最优的光子计数率以及挨近理论预期的器材产率。经过金刚石晶体取向进一步操控荧光发射偶极方向，团队终究完成单个NV色心饱满光子计数率到达~4.34Mcps，荧光强度进步大约20倍(图2)。

　　该办法具有可工程化、简略且高精度的特色，不仅可批量化制备高功能金刚石量子传感器，对金刚石量子技能实用化具有极端严重意义,还能运用于碳化硅、稀土离子等其他固态量子系统。有关技能与器材已请求世界专利进行维护。

　　中科院微观磁共振要点实验室特任副研讨员王孟祺为该论文的榜首作者，杜江峰院士、王亚教授为一起通讯作者。该研讨得到了科技部、中科院、国家自然科学基金委和安徽省的赞助。

　　（中科院微观磁共振要点实验室、物理学院、中科院量子信息与量子科学技能创新研讨院、科研部）