www.188betkr.com 讯在大众认知里，“完美无缺”似乎是金刚石的终极追求，杂质、缺陷都是要被剔除的“不完美”。但在量子科技的世界里，情况却恰恰相反：一颗带着“可控缺陷”的金刚石，正凭借这份独特的“不完美”，成为量子感知领域的“香饽饽”。量子金刚石作为一种极具潜力的新型材料，凭借其独特的物理性质，在量子传感、生物医学、精密测量等众多领域展现出巨大的应用价值。其中，基于金刚石中氮-空位（NV）色心的量子特性，为实现高灵敏度的物理探测提供了可能。
01 缺陷奥秘，金刚石的“不完美”密码
从微观层面来看，金刚石是由碳原子按照特定的晶格结构排列而成的晶体。在理想状态下，每个碳原子都与周围的四个碳原子通过共价键紧密相连，形成规整的四面体结构，这种高度有序的排列赋予了金刚石卓越的硬度和稳定性。然而，在实际情况中，由于各种因素的影响，晶格中难免会出现一些“小插曲”，也就是我们所说的缺陷。
金刚石NV色心
所谓色心，是指晶体内部结构被破坏后形成的晶体缺陷，NV色心是金刚石多种色心中的一种。金刚石NV色心是金刚石中一个碳原子被一个氮原子取代，在邻近处产生了一个空位，空位周围是三个悬空键的碳原子，这是一种具有C3v对称结构的点缺陷。在金刚石NV色心的物理结构图中，绿色球体代表的是碳原子，黄色球体代表的是替位氮原子，紫色球体代表的是空位的位置。金刚石NV色心正是因为这种结构，才能在常规测试条件下能保持优良的量子特性。
金刚石NV色心的物理结构示意图
NV0和NV-
金刚石NV色心在室温条件下主要以NV0和NV-两种不同带电状态存在。前者是指它的电荷态为中性，含有五个电子，其中有三个来源于碳原子，两个来源于氮原子；后者是指呈负电荷态，含有六个电子，通常由NV0捕获一个电子后形成的。一般情况下，这两种电荷态均同时存在金刚石NV色心中，特定条件下，可以完成两种电荷态的相互转化。目前，NV-态色心被广泛研究，在量子应用中具有重要地位。
02 量子特性：缺陷催生的神奇力量
金刚石NV中心可被看作是自旋S=1的电子自旋，其基态是自旋三重态，可作为自旋量子计算和量子传感的工作能级。NV中心自旋量子态的初始化和读出都是通过自旋依赖的光学跃迁过程实现的。在激光辐照下，ms=0的自旋状态会被激发到激发态并辐射荧光光子返回基态，故ms=0被看作“亮态”；而ms=±1的自旋状态在激发后有更大的概率通过自旋单态路径回到的状态，对应过程辐射偏少，故ms=±1态被看作“暗态”。
金刚石氮空位中心自旋量子传感工作原理：(a)自旋能级结构和光学跃迁；(b)外场对金刚石氮空位中心基态能级的影响(从上至下：压强、温度、磁场)
因此，通过测量荧光强度就可以判断NV中心自旋状态。基于同样的过程，几微秒的连续激光极化即可将NV自旋抽运到ms=0的状态上，实现高保真度的自旋态初始化。除了极化和读出自旋状态，还需要将自旋制备到特定的量子态（如叠加态）上，一般可通过射频微波脉冲来实现。施加脉冲的频率对准自旋进动频率，通过控制脉冲长度、幅度和相位参数，可以实现自旋量子传感器任意量子态的制备。
03 NV色心制备：实现量子应用的基础
NV色心的制备需要同时具备氮原子和空位，其中氮原子可以来自含氮金刚石，也可以由外部引入，而空位可以通过粒子撞击晶格结构等方法产生。准确控制NV色心的浓度和位置是其开发应用的前提。天然金刚石中也存在着NV色心，不过含量和位置是随机的，难以满足实际要求，因此人们开展了大量关于色心制备方法的研究，包括电子辐照法、CVD法、离子注入法、飞秒激光辐照法等。
CVD法是分解含碳气体在基底上结晶生成金刚石的技术。混合气体在真空高温条件下分解成具备含碳基团的等离子体球，随后在基底上积淀结晶生成金刚石。在生长过程中，可以通过在基底或气源掺入杂质，制造相应的色心。在基底掺杂便于制造浅层色心，在气源掺杂则便于控制色心的制备过程。CVD法能够调节金刚石晶体的大小和色心的含量。通过CVD法制备的单NV色心不仅纯度高，其相干时间τ还可以达到毫秒量级。
元素六在2020年就推出首款商用化学气相沉积法（CVD）量子级金刚石DNV-B1?，对那些研究氮空位系统（用于量子演示、脉射器、射频辐射探测、陀螺仪、传感和进一步项目）的人来说，是一种理想的初始材料。基于该公司丰富的经验和独特的专利工艺定制开发的CVD金刚石解决方案——DNV-B1?，是第一种广泛可用的通用量子级材料。
DNV-B1?CVD金刚石，图源：元素六
04 金刚石在量子中的应用
NV色心凭借其优秀的光学和自旋特性在量子传感领域和量子信息领域得到了广泛的应用。
金刚石色心的应用
量子计算：金刚石NV色心可作为一种量子比特的理想载体，同时该种自旋量子比特在室温下就有极长的相干时间，而且用光学方法和射频微波脉冲就可以实现极高效率的量子操控，这使得量子金刚石是实现量子计算的杰出候选。
量子传感：基于激光和微波实现的NV色心电子自旋量子态操控和探测，可以实现对磁场、温度、电场、应力等物理量的精密测量。依据传感单元的尺寸和传感方式，基于金刚石NV色心的传感系统可以分为共聚焦光路、宽场成像、光纤体系等。
量子通信：金刚石NV中心稳定的自旋状态与光、微波相互作用特性，使其成为量子通信中理想的量子比特载体。利用金刚石制备量子中继器，能够有效延长量子通信的传输距离，克服信号衰减等难题，为构建全球量子通信网络提供关键支撑。
Element Six（元素六）一直专注于人造金刚石等超硬材料的合成与加工工艺，提供尖端的金刚石和硬质合金精密部件，是金刚石先进材料的全球领导者。元素六利用人造金刚石的极端特性，在光子学、声学、电力传输、水处理、热管理和传感器等领域开辟新的可能性。
2025年11月5日，www.188betkr.com 将在河南?郑州举办“2025半导体行业用金刚石材料技术大会”。届时，我们邀请到Element Six（元素六）亚洲战略业务总监秦景霞出席本次大会并作题为《用于量子感知的金刚石材料》的报告，将聚焦量子金刚石材料，系统阐述量子金刚石的制备与应用：包括通过MPCVD技术精准调控N含量至ppm级别，展示量子金刚石在不同领域的独特优势，浅层NV中心采用电子级单晶基底直接生长工艺等。
个人简介
秦景霞，Element Six（元素六）亚洲战略业务总监，毕业于湖南大学机械设计制造及其自动化专业，深耕于金刚石、立方氮化硼、硬质合金等超硬材料的各种工业应用以及前沿应用十余年，立足国际领先品牌平台，借力中国超硬材料制品行业的产业集群优势，熟知相关产品的各类传统应用、前沿应用及各行业发展的脉动趋势。
参考来源：
1.元素六官网
2.陈诺诚：基于金刚石NV色心的微弱微波场测量系统研究
3.刘晓兵等：金刚石结构与功能研究综述
4.郝鑫等：金刚石NV色心的制备及应用
5.粉体网：缺陷成就“完美”？金刚石的量子世界
（www.188betkr.com 编辑整理/石语）
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