将缺陷变成优势，金刚石的量子未来大有可为

金刚石（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，在超精密加工、光学材料以及半导体电子器件等工业领域有着广泛的应用。近十多年来，科学家发现金刚石中一种可以发光的原子尺度晶格缺陷——氮空位色心（简称NV色心）具有极大的量子应用前景，让存在缺陷的“不完美”金刚石在实用性上变得更加“完美”。

通常一个碳原子的原子核中有六个质子和六个中子，周围环绕着六个旋转的电子，当原子结合成钻石时它们形成了一个强晶格。然而，当一个氨原子存在于两个碳原子应该存在的相邻空位中的一个时，钻石可能会有复杂的缺陷，这种缺陷称为氨空位中心 (NV色心)。NV色心不仅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乃至极端环境下进行精密测量，也可以建立多体量子纠缠，用于研究量子信息等基础问题，在前沿基础科学、高科技产业等领域有重大应用价值。

具有NV中心缺陷的金刚石碳晶格示意图

金刚石之所以能容纳优异的量子缺陷，原因在于它的晶体结构。由于宽带隙，金刚石能容纳跃迁能量处于光学范围的各种缺陷，因此直接用激光就能操控这些缺陷。即使在常温条件下，NV中心和周围晶格的振动模式之间的相互作用通常很弱。由于金刚石具有很低的核自旋浓度，因此量子态退相干（也就是自旋不再处于所需状态）的概率低。由于NV缺陷具有微弱的自旋-轨道耦合（电荷自旋与其轨道运动相互作用的相对论效应），这种退相干也是有限的，因此自旋状态能持续更长时间。由于这些性质，在常温下具有毫秒级自旋相干时间的金刚石也是可能实现的。

制备高性能金刚石量子器件是金刚石量子信息技术实用化的关键技术。以金刚石量子传感器为例，其原理是利用器件内的NV色心将外界的微弱物理信号转换为自身荧光强度信号来进行探测，因此在不牺牲其他物理性质前提下，提高NV色心光子计数率是提升传感器性能的一个关键指标。在过去几年中，人们积极致力于开发用于提高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。但目前传统的制备技术无法精确控制微纳米结构中NV色心位置，导致器件制备效率低下，性能难以达到预期(图2(a))，其主要原因是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)。通常这一对准精度需要优于20纳米，方能达到光学器件理论上最优的光学性能。

图2：器件制造效果展示。（a）传统工艺制造器件光学计数率分布；（b）自对准工艺制造器件光学计数率分布；（c）金刚石纳米柱传感阵列电镜照片；（d）单个NV色心荧光饱和曲线测试。

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