加州大學(xué)伯克利分校3D 打印量子傳感器，為精密測(cè)量、生物成像等領(lǐng)域帶來新應(yīng)用

2023年11月2日，南極熊獲悉，來自加州大學(xué)伯克利分校的研究人員在3D 打印量子傳感器粉末取得了新的突破。量子傳感是一個(gè)前景廣闊的新興領(lǐng)域，但事實(shí)證明為這些納米級(jí)傳感器構(gòu)建晶體基板具有挑戰(zhàn)性�，F(xiàn)在，該大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新穎的制造方法，將量子傳感粒子構(gòu)造成復(fù)雜的 3D 配置，可以準(zhǔn)確檢測(cè)微觀環(huán)境中溫度和磁場(chǎng)的變化。

圖片來源：加州大學(xué)伯克利分校加州定量生物科學(xué)研究所生物分子納米技術(shù)中心

研究人員使用增材制造方法來生產(chǎn)高度可定制的 3D 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以容納含有量子傳感元件的微小鉆石。這些可打印的量子傳感器可以在室溫下進(jìn)行靈敏的測(cè)量，這可能為材料科學(xué)、生物學(xué)和化學(xué)的變革性應(yīng)用打開大門。

相關(guān)研究以題為“Complex Three-DimensionalMicroscale Structures for Quantum Sensing Applications”的論文被發(fā)表在《納米快報(bào)》雜志上。Grigoropoulos 和化學(xué)助理教授 Ashok Ajoy 擔(dān)任該研究的聯(lián)合首席研究員。共同主要作者包括布蘭肯希普和扎卡里·瓊斯（Zachary Jones），后者是阿喬伊實(shí)驗(yàn)室和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員。合著者包括來自機(jī)械工程系的 Naichen Zhao、Runxuan Li、Erin Suh 和 Alan Chen，以及來自化學(xué)系的 Harpreet Singh 和 Adrisha Sarkar。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02251

這項(xiàng)研究由加州大學(xué)伯克利分校機(jī)械工程系的激光熱實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)完成，獲得了國家科學(xué)基金會(huì)資助，項(xiàng)目的主要目標(biāo)是使用多光子光刻技術(shù)設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜的混合材料。

這項(xiàng)研究的共同主要作者、加州大學(xué)伯克利分校機(jī)械工程系研究生 BrianBlankenship 表示：“我們的工作展示了將量子傳感器與先進(jìn)增材制造技術(shù)相結(jié)合的潛力，這使我們能夠創(chuàng)造出原本不可能實(shí)現(xiàn)的新設(shè)計(jì)。幾年后，這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)被用來將傳感器整合到微流體、電子和生物系統(tǒng)中，并為量子傳感器廣泛應(yīng)用于我們尚未考慮過的其他應(yīng)用開辟新途徑。”

聯(lián)合首席研究員、加州大學(xué)伯克利分校機(jī)械工程教授 CostasGrigoropoulos 補(bǔ)充道：“由于這種新的制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)定制，因此可以精確設(shè)計(jì)具有所需性能的結(jié)構(gòu)。這些建筑材料經(jīng)過優(yōu)化，可提供量身定制的機(jī)械響應(yīng)。它們結(jié)合了傳感和驅(qū)動(dòng)功能，適用于結(jié)構(gòu)材料、組織工程和光機(jī)械系統(tǒng)的應(yīng)用�！�

量子傳感器利用原子和光的特性來測(cè)量磁場(chǎng)和電場(chǎng)、應(yīng)變和溫度的微小變化。如今，它們被用于地球上一些為 GPS 系統(tǒng)提供動(dòng)力的最精確的時(shí)鐘，并且人們對(duì)將這些傳感器應(yīng)用于其他領(lǐng)域（包括神經(jīng)科學(xué)）抱有濃厚的興趣。

△氮空位中心嵌入具有復(fù)雜幾何形狀的微型 3D 結(jié)構(gòu)中。這些結(jié)構(gòu)可以通過光學(xué)成像來測(cè)量其內(nèi)部的溫度和磁場(chǎng)。圖片來源：布萊恩·布蘭肯希普。

但Grigoropoulos表示，將量子傳感器從原始實(shí)驗(yàn)室條件中剝離出來是很困難的。“許多量子傳感平臺(tái)需要極冷的溫度——低于冰點(diǎn)數(shù)百度——才能正常運(yùn)行，”他說。“此外，這些材料通常需要非常干凈和完美的結(jié)晶，這可能會(huì)阻礙它們?cè)谠S多實(shí)際應(yīng)用中的使用�！�

為了解決這個(gè)問題，研究人員采用增材制造技術(shù)將量子傳感粒子（稱為氮空位中心）構(gòu)造成 3D配置。當(dāng)金剛石內(nèi)的單個(gè)碳原子被氮原子取代并且相鄰的碳原子為空時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這些氮空位中心。氮空位中心是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗鼈冊(cè)谑覝叵鹿ぷ鞯梅浅：茫�即使它們是粒子也能保持其量子特性�?/div>

Blankenship說：“我們的方法克服了與構(gòu)造單晶襯底相關(guān)的挑戰(zhàn)，并且這些氮空位中心可以在室溫下可靠地工作。我們證明，通過使用改進(jìn)的顯微鏡，我們可以精確測(cè)量這些結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度和磁場(chǎng)。”

根據(jù)Blankenship的說法，研究人員樂觀地認(rèn)為這一進(jìn)步將為量子傳感的新可能性鋪平道路。他說：“這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在使我們能夠?qū)�傳感元件打印到現(xiàn)有的微流體芯片中，在先進(jìn)的半導(dǎo)體器件甚至細(xì)胞支架之上，同時(shí)為這些系統(tǒng)提供先進(jìn)的診斷。雖然我們的論文重點(diǎn)是測(cè)量溫度和磁場(chǎng)，但我們相信這項(xiàng)工作也可以擴(kuò)展到其他類型的精密測(cè)量領(lǐng)域�！�