FT:第二次量子革命钻石正在改变游戏规则

2025-12-29 | 来源: 加美财经 | 转到微信 | 有0人参与评论 | 字体: 放大缩小 | 收藏 | 打印

这正是地球上最坚硬的天然物质，钻石能发挥作用的地方。钻石拥有刚性的碳原子晶格结构，原子间通过强有力的化学键连接，因此具备抗震能力。大多数碳原子本身的核特性也让钻石成为量子效应发生时磁场干扰极小的环境。

钻石的量子特性部分源于20年前一个偶然发现。一颗产自西伯利亚的天然粉钻被命名为“神奇的俄罗斯”，被切割后送往全球各地的实验室，引发大量科学论文，研究其在室温下维持量子态的异常能力。

尽管人们曾尝试通过采矿找到另一颗“神奇钻石”但均未成功，最终科学家在实验室中掌握了制造量子钻石的能力。

其中一颗实验室钻石位于英格兰牛津郡哈威尔科研园区，由工业钻石制造商Element Six运营的实验室中。这是一颗小巧的粉红色立方体，尺寸小于指尖，嵌入在一个黑色塑料传感器中。

这颗合成钻石内部有一个所谓的“氮-空位中心”，即晶体中本应由两个碳原子占据的位置，一个被氮原子替代，另一个则为空缺。

量子效应就发生在这个“氮-空位中心”，涉及其中的电子及其名为“量子自旋”的可变属性。自旋状态会因外加电磁或磁场而变化，有点像物理课上条形磁铁因相互作用而改变方向。

“可以把氮-空位中心想象成一个指南针；实际上这个指南针就是一个磁力传感器。”Element Six首席技术官丹尼尔·特维奇恩说。

氮-空位中心中电子自旋状态的变化，会让其发出更亮或更暗的光，从而能被探测到。这种特性使得量子钻石特别适合探测极其微小的变化。特维奇恩表示，量子钻石对磁场变化如此敏感，以至于可以探测到大楼外100米远处一辆汽车驶过。

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这些量子钻石通过在生长过程中引入氮元素进行纳米工程处理，从而形成氮-空位中心。

“制造这种量子钻石需要在一百万个分子中改变一个。”特维奇恩说。

注：在制造量子钻石的过程中，科学家需要对钻石的结构进行极其微小、精准的改造。在钻石晶体中每一百万个碳原子所构成的位置中，选择其中一个，将其中一个碳原子换成氮原子，并在旁边故意制造一个空位（即缺少一个原子），从而形成所谓的“氮-空位中心”（nitrogen-vacancy center）。

Element Six的公司，名取自碳在元素周期表中的第六序号，是少数处于量子传感革命前沿的商业公司之一。

尽管公司早在15年前就制造出第一颗量子钻石，但直到最近，生产工艺才足够成熟，能够实现可靠且相对低成本的生产（目前一颗量子钻石售价为几千英镑）。将量子钻石嵌入电子“读取器”的相关技术也取得了重大进展。

“到目前为止，大家关注的主要还是钻石本身的科学。”特维奇恩说，“现在的关键在于，我如何把这颗钻石放进系统，以及如何整合周围的电子元件。”

公司每年通过销售工业钻石获得约3亿美元收入，这些钻石主要用于打磨、抛光和钻头等领域。而公司正大力投资“技术钻石”，包括量子钻石以及用于激光器和半导体的钻石，认为这将成为未来发展方向。

“我们正进入一个合成钻石新时代。”Element Six首席执行官希奥班·达菲表示，“我们看到巨大的发展潜力。”

不过，量子传感是否能像实验室中那样在现实中发挥作用，以及这项技术何时具备商业可行性，仍有很多疑问。其他材料也能产生可测量的量子效应，例如与钻石同属碳元素的石墨烯，以及含硅材料。