加州大學(xué)伯克利分校3D 打印量子傳感器，為精密測量、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。量子傳感是一個前景廣闊的新興領(lǐng)域，但事實證明為這些納米級傳感器構(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)確檢測微觀環(huán)境中溫度和磁場的變化。

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》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），后者是阿喬伊實驗室和勞倫斯伯克利國家實驗室的博士后研究員。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

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

這項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)造出原本不可能實現(xiàn)的新設(shè)計。幾年后，這項技術(shù)可能會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?！?/div>

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)可以實現(xiàn)定制，因此可以精確設(shè)計具有所需性能的結(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?！?/div>

量子傳感器利用原子和光的特性來測量磁場和電場、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)提供動力的最精確的時鐘，并且人們對將這些傳感器應(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)成像來測量其內(nèi)部的溫度和磁場。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驗室條件中剝離出來是很困難的?！霸S多量子傳感平臺需要極冷的溫度——低于冰點數(shù)百度——才能正常運行，”他說?！按送?，這些材料通常需要非常干凈和完美的結(jié)晶，這可能會阻礙它們在許多實際應(yīng)用中的使用?！?/div>

為了解決這個問題，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)的單個碳原子被氮原子取代并且相鄰的碳原子為空時，就會出現(xiàn)這些氮空位中心。氮空位中心是獨一無二的，因為它們在室溫下工作得非常好，即使它們是粒子也能保持其量子特性。

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，我們可以精確測量這些結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度和磁場。”

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：“這項技術(shù)現(xiàn)在使我們能夠?qū)鞲性蛴〉浆F(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，同時為這些系統(tǒng)提供先進(jìn)的診斷。雖然我們的論文重點是測量溫度和磁場，但我們相信這項工作也可以擴(kuò)展到其他類型的精密測量領(lǐng)域?！?/div>