钻石或许是女人最喜爱的一种宝石。而现在，它在量子科学家中也很受欢迎。最近发表的两项新研究有望加速基于人造钻石的量子技术的发展，这些研究提高了人造钻石的可扩展性并显著降低了制造的成本。

我们知道，传统的计算机和手机等硬件都是使用的硅基材料制造的芯片。而金刚石（钻石的原石）具有特殊的特性，它会自然的产生氮空位（NV）色心，我们看到的各种颜色的钻石就是因为色心的存在导致的。

NV色心是金刚石中的一种发光点缺陷。一个氮原子取代了金刚石中的碳原子，并且在临近位有一个空位，这样的点缺陷被称为NV色心。它的自旋可通过激光和微波实现操作和探测，另外其电子自旋相干时间可达毫秒量级。这使得它特别适合用来作为新兴量子技术的材料，如用于量子计算机、加密通信和传感器等。

但它也存在两个关键的障碍，一是制造成本，二是单晶金刚石层（其厚度小于的百万分之一米）的工艺难度。

悉尼技术大学（UTS）的一个研究团队近日发表了两篇与这些挑战有关的论文，分别发表在《纳米尺度》和《先进量子技术》上。该研究团队由Igor Aharonovich教授领导，他说：“对于要用于量子应用的金刚石，我们需要精确设计金刚石装置(腔体和波导)中的光学缺陷，以便能操控量子比特和读出其信息......这类似于在一块超薄的金刚石上进行蚀刻或雕刻沟壑，以确保光线沿所需的方向传播和反射。”

为了克服“蚀刻”挑战，该团队的研究人员开发了一种新的硬掩膜方法。这种方法利用一层薄薄的金属钨薄层对金刚石纳米结构进行图案蚀刻，从而能够形成一维光子晶体腔。UTS这篇纳米尺度论文的主要作者说：“使用钨作为硬掩膜解决了金刚石制造的几个缺点。它起着均匀约束导电层的作用，可改善纳米级分辨率下电子束光刻的可行性。”他还说道：“这方法允许在环境条件下将金刚石器件制作完成后转移到所选的衬底上。而且这种工艺可以实现进一步自动化，可以创建基于金刚石的量子光路的模块化组件。”

金属钨薄层的厚度为30nm（比人的头发要薄一万倍），但可以用它进行300nm以上的金刚石蚀刻，这创造了金刚石加工的蚀刻精度纪录。该方法另一个优点是，去除这种钨掩膜不需要使用氢氟酸（它是目前用的最危险的酸之一），因此这也显着提高了金刚石纳米加工工艺的安全性和可及性。

为了解决成本问题并提高可扩展性，该团队进一步开发了一种创新步骤，可以从多晶衬底上生长出具有嵌入式量子缺陷的单晶金刚石光子结构。《先进量子技术》上那篇论文的主要作者UTS博士研究生Milad Nonahal说：“我们的流程依赖于较低成本的、大的多晶金刚石，它可以作为大晶片使用。这有别于传统工艺上使用的是高品质的、只有几mm²大的单晶金刚石。 ” 他还补充说：“据我们了解，我们提供了使用自下而上的方法从多晶体材料生长出单晶金刚石结构的首个证据。这就像从种子中长出花朵。”

悉尼技术大学Mehran Kianinia博士说：“我们的方法消除了使用昂贵金刚石材料的需求，并去除了离子注入的使用，这是加速金刚石量子硬件商业化的关键。”（编译: Qtech）