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       1963年12月6日，中国首颗人造金刚石成功，中国人找到了开启人工制造金刚石这扇大门的神秘钥匙。目前中国占据了世界培育钻石产量的80%以上，近几年在国际上产生了巨大影响力。随着金刚石技术的迭代，金刚石及其制品在我国航空航天、国防军工、机床机械等领域发挥着愈发重要的作用，也使得它在量子技术、生物医疗、半导体等尖端领域拥有更广阔的想象空间。

图源：Shutterstock/Bjoern

       金刚石在尖端领域

       已有哪些应用？

       金刚石，作为“终极材料”的多维应用

       除表1所示的应用行业外，在近期的研究中，香港大学褚智勤博士团队基于含有硅空位色心的金刚石微米颗粒研发出一种防伪标签，具备多模式、动态、不可克隆和出色的稳定性的特点。斯坦福大学的研究则通过将金刚石和铌酸锂纳米结构组合，实现了高效的材料耦合，展现了其在量子设备中的应用潜力。金刚石的广泛多维的应用展现了其在现代科技中多面性和关键作用。

表1 金刚石材料的性能

       金刚石，领导半导体技术的未来革命

       2023年10月，美国Diamond Foundry创造的世界首个单晶金刚石晶圆，预示着金刚石在高性能计算和电子设备中应用的潜力，能显著提升AI性能、缩小电子元件尺寸，并加速无线传输。

       与此同时，华为和哈尔滨工业大学的合作推进了金刚石与硅的三维集成技术，早稻田大学和Power Diamonds Systems开发的金刚石MOSFET为金刚石半导体的广泛应用铺平了道路。亚马逊与Element Six的量子传感项目和法国Diamfab全金刚石电容器在电动汽车的创新应用，进一步证明了金刚石在信息技术和高效能电力领域的应用潜力。

       金刚石，材料科学与工程的中坚力量

       金刚石低密度和高杨氏模量使其成为高性能的高频声材料，可在高达70kHz的频率下保持完美振动，适用于声表面波滤波器，提高滤波频率和功率承受能力。近期，大阪大学的团队就利用飞秒X射线成像技术，成功追踪了单晶金刚石中的超快位错运动，证实超音速位错运动，为极端条件下的材料变形提供了理论基础。

图 美国Lockheed Martin团队正在开发一种钻石磁力计，旨在发明一种不依赖外部信号的GPS替代品

       此外，北京航空航天大学和燕山大学团队还发现的纳米孪晶金刚石复合材料展现了室温下的自我修复能力，这对提升脆性材料的韧性和耐用性具有重要意义。

金刚石为何能应用于

量子技术领域？

       量子技术是一种利用微小的量子粒子（例如电子、光子等）的特殊性质来进行各种操作的技术。

       金刚石因为拥有超高的导热性、导电性以及优异的光学特性，科学家常思考把它作为半导体材料应用于光电工程中的可能性，这也助推了金刚石在量子信息技术领域的发展。

图 NV色心、能级结构及其在磁场测量的应用

       由于金刚石具有超宽的禁带宽度，使其位于禁带中深能级缺陷发光不被吸收而发射出来，形成一系列缺陷诱导的颜色中心，即所谓的“色心”。特别是，金刚石中与空位相关的缺陷，如氮空位（NV）或硅空位（SiV）中心。这些色心具有类似“单原子”的分立能级，非常适合用于量子信息处理、量子计算的载体、量子精密测量领域。

       目前这一方向，中国地质大学（武汉）珠宝学院等高校正在致力于此方面的研究，并取得一定成果。

       金刚石的量子未来

       随着对金刚石量子特性的深入研究和工程技术的进步，金刚石在量子领域的应用正日益接近实用化。目前，全球有超过200个学术团队正在研究其量子性质的应用，也有越来越多的公司投入金刚石量子技术的开发。我们期待着未来，金刚石在提高量子设备性能、降低成本和简化系统设计等方面发挥关键作用。

       此外，金刚石技术的发展还将推动新的科研突破和工业应用，加速量子技术从实验室到现实世界的转变。尽管面临技术挑战和市场不确定性，但金刚石在量子技术领域的前景无疑是光明的。