拉伸和压缩钻石为超精密量子传感器开辟了新道路

研究人员发现了一种调谐钻石微小缺陷量子特性的新方法——通过轻柔拉伸或压缩晶体。这些发现可能为下一代传感器铺平道路，能够以前所未有的精度检测压力、温度及其他物理变化。

钻石中的缺陷被称为“色心”，越来越多地被量子技术应用，包括超灵敏传感器和新兴的量子通信系统。其中，硅空位（SiV）中心以其极其稳定且明亮的光发射著称，是量子器件的有前景的构建模块。

机械应变下的探测缺陷

由新加坡科技设计大学（SUTD）和中国扬州大学科学家领导的国际研究团队，研究了当周围金刚石晶格被压缩或拉伸时，这些SiV中心的响应。

团队利用先进的计算建模，系统地探索了缺陷的原子结构和光学信号在不同机械条件下的演化。该研究发表在《应用物理快报》期刊上。

从结构转变到传感电位

他们的结果显示出令人惊讶的丰富行为。当金刚石被压缩时，缺陷保持稳定并保持其原始对称性。但当缺陷被拉伸超过临界阈值——约4%的膨胀时，缺陷会发生结构转变，打破其原始对称性，并采用新的构型。

这种转变不仅仅是结构上的好奇。它直接影响缺陷与光的相互作用。研究人员发现，关键的光学特征，包括发射光的颜色和强度，随着材料的应变而平滑且可预测地变化。

扬州大学的岳云良教授说：“这些光学变化就像内置的尺子。仅通过测量缺陷发出的光，我们可以推断材料被压缩或拉伸的程度。”

这种行为使SiV中心作为纳米级传感器极具吸引力。由于光学响应随变形持续变化，这些缺陷可用于以极高灵敏度监测压力或应变——甚至可能达到单个纳米结构层面。

磁响应与量子多样性

除了光学信号外，研究还考察了缺陷的磁性，这对电子自旋共振等技术非常重要。这些特性还会随着变形系统性变化，提供了额外的感应通道，进一步增强了系统的多功能性。

重要的是，这项研究提供了对这些变化发生原因的显微镜理解。随着金刚石晶格的膨胀或收缩，缺陷的电子结构会发生变化，进而改变缺陷与光和磁场的相互作用。这一见解有助于弥合基础量子物理与实际器件应用之间的鸿沟。

未来量子技术的路径

研究结果表明，SiV中心可以作为量子传感技术的稳健且可调的平台，尤其是在机械变形影响的环境中——如高压物理、纳米器件或先进材料系统。

“通过展示机械变形如何精确控制硅空中心的量子性质，我们为设计多功能量子传感器开辟了新机遇，”馆廷通胡珠寺早期职业讲席主任、苏格兰大学技术学院助理教授余信昂说。

“这项工作为现实世界中的量子缺陷工程提供了基础理解和实用指导。”

南方科技学院研究员方志博博士补充道：“特别令人兴奋的是反应的可预测性。缺陷在应变下表现高度可控，这正是可靠传感技术所必需的。我们的研究为未来的实验和设备集成奠定了基础。”

展望未来，团队认为将机械控制与量子缺陷结合，有望解锁量子器件的新功能，包括自适应传感器和动态响应环境的混合系统。

Yuunliang 等，《静水压和拉伸对金刚石中硅空中心的影响》，《应用物理快报》（2026年）。DOI：10.1063/5.0300210

期刊信息：应用物理快报 

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