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        美国科学家近日成功实现了纳米金刚石氮空位中心（NV）长达200微秒的自旋相干时间，打破了之前自旋相干时间的历史保持记录。实验用到的纳米金刚石由一种新的材料并利用离子蚀刻技术制备而成，该技术或将应用在磁共振探头研制和量子计算机方面。
        纳米金刚石的NV缺陷是未来量子技术的理想应用对象，包括量子计算和纳米传感。不过，大多纳米金刚石都含有大量的顺磁性杂质，这就使得NV中电子自旋状态极容易受到影响而变得不稳定—电子无法在较长的时间段内保持它们的自旋方向；有时候这一时间段最多只能持续一百万分之一秒。这就意味着在实际设备应用中，量子信息无法被存储。

        金刚石中的原子杂质，亦或杂质缺陷能够释放粉红、蓝和黄色等光泽。当两个相邻的碳原子被一个氮原子和一个空置的晶格替代时，便形成了NV。纳米金刚石中的NV由于其无毒性和耐光性，是一种理想的生化探针材料，可嵌入细胞内进行科学研究和医疗诊断等。NV还可检测出电子自旋或核自旋中非常微弱的磁场，因此可用在核磁共振探头上，在纳米范围内检测物质的自旋改变情况。

       传统的磁共振成像技术为了捕获到一个可测的信号，需要数以百万个自旋信息，而NV缺陷可以轻松检测到单个的目标自旋，精确度达到纳米级别。

        以前，让科学家倍感头疼的是，传统高温高压法（HPHT）制备而成的纳米金刚石含有大量的顺磁性杂质，导致自旋相干时间非常短，这一技术瓶颈曾困惑研究者很长时间。而如今，由麻省理工学院的Dirk Englund教授领导的科研团队利用一种自组装多空金属掩膜，采用反应离子蚀刻工艺和自上而下的制备法，研制出了高纯金刚石纳米晶体，不含任何顺磁性杂质。这些纳米金刚石中的NV自旋状态能够保持长达210微秒。

        由这种新方法制备而成的纳米金刚石还实现了290 nT Hz–1/2的磁场灵敏度，这意味着未来磁场探头感应技术可以达到小至50nm的范围。

        团队成员Matthew Trusheim补充：利用这种自组装多空金属掩膜制备而成的纳米金刚石还能够可控性地产生数亿个NV缺陷，而且不需要借助太多的人工操作。

        除此之外，NV缺陷还可用于光子结构、单光子源和固态量子比特纠缠光子等领域。Matthew Trusheim解释道，量子计算机的基本原理是微小物质可以同时以不同状态存在；传统字节的处理是0或者1，而量子计算机可以同时操作字节0和1。大量逻辑操作命令可以同时并行，这在理论上就大大提高了计算机的运行速度。而目前，新制备方法生产的纳米金刚石NV所产生的字节非常不稳定，虽能存储量子信息，但及其容易收到外界环境噪声的影响而被毁坏。

       研究者首先将金-钯掩膜沉积在高纯度金刚石衬底上，掩膜就会自组装成纳米大小的滴状。然后工作者利用氧等离子蚀刻工艺来激活加快反应离子，从而将衬底上的金刚石分离出来。在这一过程中，金-钯掩膜阻止了外来离子，为生成的金刚石留下了一定的存在空间；然后利用机械物理方法将这些有纳米金刚石的空间点剥离出来，就得到了高纯度不含顺磁性杂质的金刚石。

       该研究得到了哥伦比亚大学、纽约城市大学的联合支持，发表在了最新一期的Nano Letter上。（编译自“Nanodiamond nitrogen vacancies live longer”）