这是一张有不同性质的钻石的图像，可以被测量。图片来源:Dima Farfurnik
纯钻石由碳原子构成完美的晶格。但是去掉一些碳，用氮交换一些碳，你就会得到一颗具有特殊量子感应特性的钻石。这些特性对于量子信息应用和感知磁场非常有用，并且可以作为探索量子物理奥秘的平台。
当一个氮原子靠近一个碳原子所空出的空间时，它就形成了所谓的氮空位(NV)中心。现在，研究人员已经展示了他们如何创建更多的NV中心，这使得感知磁场更容易，使用一种相对简单的方法，可以在许多实验室中实现。他们在本周的应用物理快报，来自AIP出版公司。
磁场感应是这种感应重要性的一个主要例子。绿光可以诱导NV中心发出荧光并发出红光，但这种荧光的数量在磁场的存在下发生变化。通过测量荧光的亮度，金刚石NV中心可以帮助确定磁场强度。这种设备可以对包括岩石和生物组织在内的一系列样本类型进行磁成像。
这种类型的磁检测的灵敏度是由NV中心的浓度决定的，而空缺不与氮配对产生噪声。因此，有效地将空缺转化为NV中心，以及最大限度地提高NV中心的集中度，是推进这些检测方法的关键。
研究人员通常从另一家公司购买掺氮钻石。然后，他们用电子、质子或其他粒子轰击钻石，这些粒子会剥离一些碳原子，留下空位。最后，一种称为退火的加热过程推动氮原子旁边的空位形成NV中心。问题是，照射通常需要将样品送到单独的设施，这既昂贵又耗时。
“我们的方法的特别之处在于它非常简单和直接，”以色列耶路撒冷希伯来大学的迪玛·法夫尼克(Dima Farfurnik)说。“通过一个简单的内部处理程序，就可以获得足够高的NV浓度，适用于许多应用。”
他们的方法是在许多研究人员都能使用的透射电子显微镜(TEM)中使用高能电子轰击来局部创建NV中心。通常情况下，TEM被用来成像到亚纳米分辨率的材料，但它狭窄的电子束也可以照射钻石。
其他研究表明，tem可以在特定的钻石样品中产生NV中心，但这项研究中的研究人员成功地在几个商业化的钻石样品上测试了该方法。
在一个典型的未经处理的样品中，只有不到1%的氮原子形成NV中心。但通过使用TEM，研究人员将这种转换效率提高到了10%。在某些情况下，样品达到饱和极限，更多的照射不再有效。然而，对于其他样本，研究人员没有达到这个极限，这表明额外的照射可以进一步提高效率。随着转换效率的提高和TEM可能的小辐照体积，像磁传感器这样的设备可以更紧凑。
为了确保该方法不会妨碍NV在传感磁场等应用中的有效性，研究人员确认NV中心保持其状态的时间长度——相干时间——没有改变。
在钻石中填充足够多的NV中心，物理学家就可以探测中心之间的量子相互作用。这项研究可以创造一种被称为压缩态的独特量子态，这种量子态以前从未在固体中被证明过，并且可以将这些系统的传感能力提升到今天的经典极限之外。
Farfurnik说:“我们希望由于辐射而增加的NV中心数量将成为实现这一长期和雄心勃勃的目标的一个跳板。”
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