氮原子尺寸級的感測器測量硬碟驅動器

集成電路變得越來越複雜。 目前，奔騰處理器包含約3000萬個晶體管，硬碟上的磁性結構竟只有10到20納米，比直徑在80到120納米的流感病毒還要小。硬碟的結構尺寸正在迅速接近量子物理學的領域，弗賴堡弗勞恩霍夫應用固態物理研究所（IAF）的研究員已嘗試將其應用於未來的量子技術難題，並與馬克斯·普朗克固態研究所的同事正在共同開發一種量子感測器，這種感測器能夠精確測量下一代硬碟中的微弱磁場。這是一種以人造金剛石作為襯底的新感測器，本身僅比氮原子略大一點。

金剛石除了具有相當大的機械和化學穩定性之外，還具有很多其它優點，例如可以植入諸如硼或磷之類的外來原子，從而將晶體變成半導體。除此之外，金剛石還是製造光學電路的完美材料。此外，其最大的特點或許是令人印象深刻的導熱係數，而碳原子鍵的強度確保了熱量可以快速消散。

在過去的幾十年中，Fraunhofer IAF開發出更優秀的金剛石生產系統。其規模化的生產過程集中在了等離子體反應器中，弗萊堡擁有許多這樣的銀色裝置。點燃等離子體以產生800-900℃的溫度，這樣當氣體被供給到腔室中時，可以在方形基板上形成金剛石層。金剛石晶體具有3-8mm的邊緣長度，接著與基板分離並使用激光實現拋光。

Fraunhofer IAF開發的等離子體反應器的特殊橢球形式實現大規模的金剛石分離。（圖片：Fraunhofer IAF）

利用金剛石製作磁性探測器

製造新型的量子感測器需要特別純凈的晶體，可刺激更深層次的改進。例如，為了得到超純金剛石層，需要使用Zr過濾器預先過濾為CH4為金剛石提供C原子。

更為重要的是氣體必須同位素純凈，因為只有12C（碳原子的穩定同位素）具有零核自旋性，這是隨後製作磁感測器的先決條件。H2也需經過純化，而後要利用超純單晶金剛石作為磁性探測器。這裡有兩種選擇：要麼將一個氮原子插入極細的尖端，要麼在鑽石生產過程的最後階段添加氮氣。

緊接著在團隊潔凈室中使用蝕刻工藝對金剛石尖端進行氧等離子體磨光。 最終呈現出一個非常精細的金剛石尖端，類似於原子力顯微鏡。整個設計的關鍵是添加氮原子和晶體結構中相鄰的空位。

這種結合了氮-空位中心作為實際的感測器，當暴露於激光和微波時可發光。 如果周圍有磁鐵，它的發光量會產生改變，專家將這種電子自旋稱為共振光譜。

這種技術不僅可以檢測納米精度的磁場，還可以確定它們的作用力，開闢了一個巨大的應用空間。

例如，小鑽石尖端可以用來監測硬碟的質量。這些數據存儲設備是緊湊的，並且總會存在微小缺陷。量子感測器可識別有缺陷的數據段，從而將其排除在光碟讀寫過程之外。這有助於減少隨著小型化的發展而隨之增長的缺陷率，並降低生產成本。

Fraunhofer IAF為量子應用生產的超純鑽石。（圖片：Fraunhofer IAF）

量子感測器可以測量大腦活動

這種微小感測器可以應用於各種場合，因為到處都有微弱的磁場，大腦也不例外。

IAF專家Christoph Nebel說：「只要有電子移動，就會產生磁場。所以毫無疑問，當我們進行思考或產生感受時，大腦也會產生磁場。」

研究人員熱衷於研究本地化大腦活動，以確定負責某種功能或感覺的大腦區域。 這可以通過使用電極測量腦電波直接完成，但結果極其不精確。而磁場測量將提供更好的數據結果。

然而，目前使用的感測器都有一個明顯的缺點，即它們必須用液氮冷卻。憑藉極高的導熱性，新技術可以在室溫下運行，無需任何冷卻。對於這個應用程序，你可以使用微小的片晶來合併多個氮-空位中心，而不需要使用任何小技巧。每個中心都提供圖像中的一個點，這些點最終會組成一個詳細的圖片。

然而，目前Christoph Nebel和他的團隊正致力於研究和優化金剛石作為高科技材料。這對於量子感測器技術應用的強勢開局將彰顯巨大的潛力和可能。

文章來自Nanowerk，原文題目Sensor the size of a nitrogen atom investigates hard drives，由材料科技在線匯總整理。

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