该透射电子显微镜图像的彩色区域突出显示了纳米金刚石中的晶界。图片来源：Dionne Group/斯坦福大学

他们说，人们可以只见树木不见森林。但通常值得仔细观察这些树木，以理解密集、荆棘丛生的整体。这就是斯坦福大学的一个研究小组为解决钻石中一个棘手的量子信息问题所做的工作。

然而，作为承载量子信息的恒星材料，金刚石提出了一个挑战：来自嵌入金刚石的量子信息位的信号通常是混乱和不一致的。科学家们已经为这种不一致提供了解释，但他们需要一种方法来检查钻石的组成部分，以揭露罪魁祸首。

由詹妮弗·迪翁（Jennifer Dionne）领导的斯坦福大学研究小组就是这样做的，他们使用强大的显微镜放大了钻石的原子级构成。在PNAS上发表的一篇论文中，该团队证明，钻石的杂色内部在很大程度上解释了嵌入其中的量子比特的不稳定信号。

“没有很好的方法可以将量子比特的结构 - 量子比特 - 与发射的信号联系起来，但研究人员会观察到发射中相当大的异质性，”Q-NEXT副主任，斯坦福大学材料科学教授Dionne说。“我们解决了这个问题，将原子尺度结构与量子性质联系起来。

硅空位

该小组研究了一种称为硅空位中心的量子比特。从金刚石中去除两个碳原子并用硅原子代替。因为一个原子取代了两个原子，所以硅原子的两侧都有一个间隙——一个半填充的空穴。

硅空位中心对于量子传感器和量子通信网络来说都是很有前途的，量子传感器可以达到比当今最好的工具高很多倍的精度，量子通信网络的量子性质几乎是防窃听的。

Dionne小组测试了金刚石纳米颗粒中的硅空位中心，金刚石纳米颗粒是几百纳米宽的微小金刚石碎片。通常，几个空位散布在整个样品中，就像海绵上的孔一样。

来自空位中心的信号以光子的形式出现，光粒子。在理想情况下，钻石的空缺就像一个值得信赖的光子工厂，每次从装配线上下来时，都能可靠地生产出相同的光子类型——相同的颜色、相同的亮度。

“我们想要无法区分的光子，”该论文的第一作者丹尼尔·安吉尔（Daniel Angell）说，他在斯坦福大学读研究生时进行了这项研究。

但科学家们看到各种光子颜色和亮度从他们的钻石源射出。这导致 Dionne 团队进行了更深入的挖掘。

钻石的多面性

钻石是杂乱无章的东西。像大多数晶体一样，钻石由彼此相邻的区域组成，就像形状不规则的乐高积木一样。这些区域（或域）通过它们的原子“纹理”（如木纹）来区分。原子在对角线上排列的域可能与另一个从前到后方向的域相邻。

该团队使用扫描透射电子显微镜逐个检查这些域，测量每个域的光子发射 - 这是一项超精确的任务，使用功能较弱的工具几乎是不可能的。他们开始注意到一种模式。

这张图片显示了斯坦福大学迪翁小组研究的纳米金刚石的 3D 透视图。图片来源：Dionne Group/斯坦福大学

“我们一直在观察这些钻石，最终可以开始看到这些非常酷的、非常独特的光子发射区域——光子轮廓会因区域而异，”Angell 说。

结论非常明确：域名会有所作为。

每个域的纹理塑造了其中的空隙，拉伸或挤压它。虽然一个领域的空缺可能会以一种方式受到挤压，而隔壁的空缺可能会以不同的方式受到挤压。

该小组发现，空位的应变方式会影响发射光子的性质，就像它在晶粒结构中的位置一样。

科学家们一直在测量来自钻石的模糊或不一致的信号，因为他们将样品视为单一来源，单个光子发射器。但是金刚石样品包含多个紧密堆积的畴，每个畴都有自己的光子发射器。研究人员一直在测量来自森林的信号，而不是树木。

“空缺在水晶中的位置很重要，”迪翁说。“钻石的不同晶面和晶体的特定取向会对发射的亮度和颜色产生重大影响。”

即使是相距甚远的空位也会产生明显不同的光子发射。

“当两个空位彼此相距仅5纳米时，我们看到发射信号出现了完全离散的跳跃，”Angell说。“在纳米尺度上看到这种近乎完美的排放分离线 - 排放的明显变化 - 是我以前从未见过的。这是非常令人信服的数据。

晶莹剔透

Angell将不同类型的晶粒应变与它们各自的光子分布相关联，为研究人员提供了高分辨率的应变和发射图，以更好地了解他们自己的发现。

虽然晶粒多样性并不是导致模糊光子信号的唯一因素，但Dionne小组表明它起着重要作用。

“我们指出，准确了解正在研究的晶体颗粒的潜在晶粒结构是多么重要。如果你正在收集整个粒子的发射，并且你有模糊的发射，这可能是因为那里有某种晶界。你正在收集具有不同签名的不同职位空缺，而你却不知道，“安吉尔说。

他们的工作也具有更广泛的影响范围，适用于空缺中心量子比特家族的其他成员。

“已经为大量研究打开了大门，这些研究可以在量子系统中实现精确的结构 - 功能相关性，并最终改善量子通信，量子网络和量子传感，”Dionne说。

更多信息：Daniel K. Angell 等人，使用冷冻阴极发光显微镜揭示硅空位颜色中心的发射异质性来源，《美国国家科学院院刊》（2024 年）。DOI： 10.1073/pnas.2308247121

期刊信息：Proceedings of the National Academy of Sciences