加州大學伯克利分校3D 打印量子傳感器，為精密測量、生物成像等領域帶來新應用

2023年11月2日，南極熊獲悉，來自加州大學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域，但事實證明為這些納米級傳感器構建晶體基板具有挑戰(zhàn)性?，F(xiàn)在，該大學的研究人員開發(fā)了一種新穎的制造方法，將量子傳感粒子構造成復雜的 3D 配置，可以準確檢測微觀環(huán)境中溫度和磁場的變化。

圖片來源：加州大學伯克利分校加州定量生物科學研究所生物分子納米技術中心

研究人員使用增材制造方法來生產高度可定制的 3D 結構，該結構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行靈敏的測量，這可能為材料科學、生物學和化學的變革性應用打開大門。

相關研究以題為“Complex Three-DimensionalMicroscale Structures for Quantum Sensing Applications”的論文被發(fā)表在《納米快報》雜志上。Grigoropoulos 和化學助理教授 Ashok Ajoy 擔任該研究的聯(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。合著者包括來自機械工程系的 Naichen Zhao、Runxuan Li、Erin Suh 和 Alan Chen，以及來自化學系的 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伯克利分校機械工程系的激光熱實驗室負責完成，獲得了國家科學基金會資助，項目的主要目標是使用多光子光刻技術設計和制造復雜的混合材料。

這項研究的共同主要作者、加州大學伯克利分校機械工程系研究生 BrianBlankenship 表示：“我們的工作展示了將量子傳感器與先進增材制造技術相結合的潛力，這使我們能夠創(chuàng)造出原本不可能實現(xiàn)的新設計。幾年后，這項技術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用于我們尚未考慮過的其他應用開辟新途徑?！?/div>

聯(lián)合首席研究員、加州大學伯克利分校機械工程教授 CostasGrigoropoulos 補充道：“由于這種新的制造技術可以實現(xiàn)定制，因此可以精確設計具有所需性能的結構。這些建筑材料經過優(yōu)化，可提供量身定制的機械響應。它們結合了傳感和驅動功能，適用于結構材料、組織工程和光機械系統(tǒng)的應用?！?/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用于其他領域（包括神經科學）抱有濃厚的興趣。

△氮空位中心嵌入具有復雜幾何形狀的微型 3D 結構中。這些結構可以通過光學成像來測量其內部的溫度和磁場。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晶，這可能會阻礙它們在許多實際應用中的使用。”

為了解決這個問題，研究人員采用增材制造技術將量子傳感粒子（稱為氮空位中心）構造成 3D配置。當金剛石內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造單晶襯底相關的挑戰(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，通過使用改進的顯微鏡，我們可以精確測量這些結構內部的溫度和磁場?！?/div>

根據(jù)Blankenship的說法，研究人員樂觀地認為這一進步將為量子傳感的新可能性鋪平道路。他說：“這項技術現(xiàn)在使我們能夠將傳感元件打印到現(xiàn)有的微流體芯片中，在先進的半導體器件甚至細胞支架之上，同時為這些系統(tǒng)提供先進的診斷。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展到其他類型的精密測量領域?！?/div>