窥探钻石的量子世界,了解它是如何推动生物医学及其他领域的发展

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视频介绍

所有原子的性质都受量子力学定律支配,但这些特性是脆弱的。除非处于真空中或处于超冷温度下,否则粒子通常不会保持足够长的量子态以进行测量。但是钻石作为自然界中最坚硬的物质之一,可以更坚固地经受住观察。即使在室温下,其晶体的刚度也可以在几毫秒内保护量子态-足够的时间来做一些有用的事情。在过去的15年中,工程师已经熟练于种植具有所需量子特性的人造钻石,并在生物传感,磁力计甚至量子计算领域开辟了应用。钻石是碳原子的集合,每个碳原子键合到其他四个碳上以形成有序的晶体阵列。但是有时基质中会出现毛刺:其他元素的杂散原子进入其中,或者碳原子缺失,留下了一个空白空间。这些缺陷会导致钻石以不同的色调闪烁,被称为色心。当晶体中的碳被氮原子取代,并且相邻的碳缺失时,会发生一个特别有趣的缺陷。这种缺陷被称为氮空位(NV)中心,具有自己的量子自旋,可以将其视为旋转磁体。钻石主要由自旋中性碳12原子制成,因此NV中心的自旋不受其邻国的影响。而且,由于钻石基质是如此坚硬,因此原子在室温下无法充分搅动,无法将自旋推向另一种状态。但是,可以通过电磁辐射或磁场来改变自旋,这种特性使具有NV中心的钻石可以用作传感器。NV中心也是光致发光的:当被绿光点亮时,它将发出红色的光。由于NV中心的自旋状态决定了钻石发出荧光的强度,因此科学家可以使用亮度的变化来监视由于微波或磁场导致的中心自旋状态的变化。通过检查哪些频率引起光的变化,研究人员甚至可以使用钻石来测量磁场强度。该技术称为光学检测磁共振。具有光读取自旋的能力具有许多潜在的应用。在生物学中,它可以检测血液中的病毒和肿瘤细胞,其灵敏度是现有技术所能提供的数百到数千倍。钻石还被用来成像陨石中的微小磁场,该磁场可以追溯到太阳系的形成。NV中心甚至可能在量子计算中有应用。为量子计算机制造位的一种方法(量子位)依赖于超导体,必须将其冷却至接近绝对零。但是很难在不提高程序温度和破坏其量子特性的情况下将量子位的数量扩展到有用程序所需的数百万个位。由于NV中心在室温下保持自旋并通过光传达其状态,因此它们可能在量子计算机设计中发挥作用。好了,今天的节目就到这里,我们下期再见。

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