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智科眼: 双语看懂新科研
纳米物理 3584
At(At) the chemical(化学) level(水平),(,) diamonds(钻石) are(are) no() more(超过) than() carbon atoms(碳原子) aligned(排列) in(in) a(a) precise(精确),(,) three-dimensional(三维) (3-D)((3-D)) crystal lattice(晶格).(.) However(然而),(,) even(即使) a(a) seemingly(看似) flawless(完美无瑕) diamond(钻石) contains(含有) defects(缺陷):(:) spots(斑点) in(in) that() lattice(晶格) where(where) a(a) carbon atom(碳原子) is() missing(缺少) or() has(has) been() replaced(取代) by(by) something(东西) else(else).(.) Some(一些) of(of) these(它们) defects(缺陷) are() highly(非常) desirable(需要);(;) they(它们) trap(捕获) individual(单个) electrons(电子) that() can(可以) absorb(吸收) or() emit(发射) light(),(,) causing(产生) the various(各种) colors(颜色) found(创建) in(in) diamond(钻石) gemstones(宝石) and(),(,) more() importantly(重要),(,) creating(创建) a(a) platform(平台) for(for) diverse(各种) quantum(量子) technologies(技术) for(for) advanced(高级) computing(计算),(,) secure communication(安全通信) and() precision(精确) sensing(传感).(.)
Quantum(量子) technologies(技术) are(are) based on(基于) units(单位) of(of) quantum(量子) information(信息) known() as(as) "(")qubits(量子)."(.") The spin(自旋) of(of) electrons(电子) are() prime(主要) candidates(候选) to(to) serve as(作为) qubits(量子位);(;) unlike(不同) binary(二进制) computing(计算) systems(系统) where(where) data(数据) takes(采用) the form(形式) of(of) only() 0s(0s) or() 1s,(1s,) electron spin(电子自旋) can(可以) represent(表示) information(信息) as(as) 0,(0,) 1,(1,) or() both(同时) simultaneously(同时) in(in) a(a) quantum(量子) superposition(叠加).(.) Qubits(量子) from(from) diamonds(钻石) are(are) of(of) particular(特别) interest(感兴趣) to(to) quantum(量子) scientists(科学家) because(因为) their(它们) quantum(量子)-()mechanical(力学) properties(性质),(,) including(包括) superposition(叠加),(,) exist(存在) at(at) room temperature(室温),(,) unlike(不同) many(许多) other(其他) potential(潜在) quantum(量子) resources(资源).(.)
The practical(实际) challenge(挑战) of(of) collecting(收集) information(信息) from() a(a) single(单个) atom(原子) deep() inside(内部) a(a) crystal(晶体) is() a(a) daunting(令人生畏) one(one),(,) however(然而).(.) Penn(宾夕法尼亚) Engineers(工程师) addressed(解决) this(这个) problem(问题) in(in) a(一种) recent(最近) study(研究) in(in) which(which) they(他们) devised(设计了) a(一项) way(方法) to(to) pattern(模拟) the surface(表面) of(of) a(a) diamond(钻石) that() makes(使) it() easier(更容易) to(to) collect(收集) light(光线) from() the defects(缺陷) inside(内部).(.) Called(称为) a(a) metalens(metalens),(,) this(这种) surface structure(表面结构) contains(包含) nanoscale(纳米级) features(特征) that(that) bend(弯曲) and() focus(聚焦) the light() emitted(发出) by(by) the defects(缺陷),(,) despite(尽管) being() effectively(有效) flat(平坦).(.)
The research(研究) was(was) led(领导) by() Lee(Lee) Bassett(Bassett),(,) Assistant(助理) Professor(教授) in(in) the Department() of(of) Electrical() and() Systems(系统) Engineering(工程),(,) graduate(研究生) student(学生) Tzu(Tzu)-()Yung(Yung) Huang(),(,) and() postdoctoral(博士后) researcher(研究员) Richard(Richard) Grote(Grote) from(from) Bassett(Bassett)'s('s) lab(实验室).(.)
Additional(其他) Bassett(Bassett) Lab(实验室) members(成员) David(大卫) Hopper(料斗),(,) Annemarie(Annemarie) Exarhos(Exarhos) and() Garrett(Garrett) Kaighn(Kaighn) contributed(贡献) to(to) the work(工作),(,) as(as) did() Gerald(Gerald) Lopez(Lopez),(,) director(总监) of(of) Business(业务) Development(发展) at(at) the Singh(辛格) Center(中心) for(for) Nanotechnology(纳米技术),(,) and() two(two) members(成员) of(of) Amsterdam(阿姆斯特丹)'s('s) Center(中心) for(for) Nanophotonics(纳米光子学),(,) Sander(砂光机) Mann() and() Erik(Erik) Garnett(Garnett).(.)
The study(研究) was(was) published(发表) in(in) Nature Communications(Nature Communications).(.)
The key(关键) to(to) harnessing(利用) the potential(潜在) power(力量) of(of) quantum(量子) systems(系统) is() being() able(能够) to(to) create(创建) or() find(找到) structures(结构) that(that) allow(允许) electron spin(电子自旋) to(to) be() reliably(可靠地) manipulated(操纵) and() measured(测量),(,) a(一项) difficult(艰巨) task(任务) considering(考虑) the fragility(脆弱性) of(of) quantum(量子) states().(.)
Bassett(巴塞特)'s('s) lab(实验室) approaches(接近) this(这一) challenge(挑战) from() a(a) number(多个) of(of) directions(方向).(.) Recently(最近),(,) the lab(实验室) developed(开发) a(一种) quantum(量子) platform(平台) based on(基于) a(a) two-dimensional(二维) (2-D)((2-D)) material(材料) called(称为) hexagonal(六角形) boron nitride(氮化硼) which(which),(,) due to(由于) its() extremely() thin() dimensions(),(,) allows(可以) for(for) easier(更容易) access(接触) to(to) electron spins(电子自旋).(.) In(In) the current(目前) study(研究),(,) the team(团队) returned(返回) to(to) a(一种) 3-D(3-D) material(材料) that() contains(包含) natural(天然) imperfections(缺陷) with(with) great(巨大) potential(潜力) for(for) controlling(控制) electron(电子) spins(旋转):(:) diamonds(钻石).(.)
Small() defects(缺陷) in(in) diamonds(钻石),(,) called(称为) nitrogen()-()vacancy(空位) (NV)((NV)) centers(中心),(,) are(are) known() to(to) harbor(港口) electron spins(电子自旋) that() can(具有) be(be) manipulated(操纵) at(at) room temperature(室温),(,) unlike(不同) many(许多) other(other) quantum(量子) systems(系统) that(that) demand(要求) temperatures() approaching(接近) absolute zero(绝对零度).(.) Each() NV(NV) center(中心) emits(发出) light() that(that) provides(提供) information(信息) about(有关) the spin(自旋)'s('s) quantum(量子) state().(.)
Bassett(Bassett) explains(解释了) why(为什么) it() is(is) important(重要) to(to) consider(考虑) both(both) 2-D(2-D) and() 3-D(3-D) avenues(途径) in(in) quantum(量子) technology(技术):(:)
"(")The different(不同) material(材料) platforms(平台) are(are) at(at) different(不同) levels(水平) of(of) development(开发),(,) and() they(它们) will() ultimately(最终) be(be) useful(有用) for(for) different(不同) applications(应用程序).(.) Defects(缺陷) in(in) 2-D(2-D) materials(材料) are(are) ideally(理想) suited(适合) for(for) proximity(接近) sensing(感应) on(on) surfaces(表面),(,) and() they(它们) might(可能) eventually(最终) be(be) good(良好) for(for) other(其他) applications(应用),(,) such as(例如) integrated(集成) quantum(量子) photonic(光子) devices(器件),"(,") Bassett(Bassett) says().(.) "(")Right() now(现在),(,) however(然而),(,) the diamond(钻石) NV(NV) center(中心) is() simply() the best(最佳) platform(平台) around(around) for(for) room-temperature(室温) quantum(量子) information processing(信息处理).(.) It() is() also() a(a) leading(主要) candidate(候选) for(for) building(建立) large(大规模)-()scale(尺度) quantum(量子) communication(通信) networks(网络)."(.")
So far(到目前为止),(,) it() has() only() been(been) possible(才能) to(to) achieve(实现) the combination(组合) of(of) desirable(需要) quantum(量子) properties(特性) that(that) are(are) required(要求) for(for) these(这些) demanding(要求很高) applications(应用) using(使用) NV(NV) centers(中心) embedded(嵌入) deep(深入) within(within) bulk() 3-D(3-D) crystals(晶体) of(of) diamond(钻石).(.)
Unfortunately(不幸),(,) those(那些) deeply() embedded(嵌入) NV(NV) centers(中心) can(能够) be(be) difficult() to(to) access(进入) since(因为) they(它们) are() not() right() on(on) the surface(表面) of(of) the diamond(钻石).(.) Collecting(收集) light(光线) from() those(那些) hard(难以) to(to) reach(到达) defects(缺陷) usually(通常) requires(需要) a(a) bulky(庞大) optical microscope(光学显微镜) in(in) a(a) highly(高度) controlled(受控) laboratory(实验室) environment(环境).(.) Bassett(Bassett)'s('s) team(团队) wanted(希望) to(to) find(找到) a(一个) better(更好) way(方法) to(to) collect(收集) light(光线) from(from) NV(NV) centers(中心),(,) a(一种) goal(目标) they(他们) were() able(能够) to(to) accomplish(实现) by(通过) designing(设计) a(a) specialized(专门) metalens(元透) that(that) circumvents(规避) the need(需要) for(for) a(a) large(大型),(,) expensive(昂贵) microscope(显微镜).(.)
"We("We) used(使用) the concept(概念) of(of) a(一个) metasurface(metasurface) to(to) design(设计) and() fabricate(制造) a(一个) structure(结构) on(on) the surface(表面) of(of) diamond(钻石) that() acts(行为) like() a(a) lens(透镜) to(to) collect(收集) photons(光子) from() a(a) single(单个) qubit(量子位) in(in) diamond(钻石) and() direct(引导) them(它们) into(into) an(an) optical(光纤) fiber(纤维),(,) whereas() previously(之前) this() required(需要) a(a) large(),(,) free(自由)-()space(太空) optical microscope(光学显微镜),"(,") Bassett(巴塞特) says().(.) "(")This() is() a(一个) first() key(关键) step(步骤) in(in) our(我们) larger(更大) effort(努力) to(to) realize(实现) compact(紧凑型) quantum(量子) devices(器件) that(that) do(do) not() require(需要) a(a) room(房间) full(充满) of(of) electronics(电子) and() free-space(自由空间) optical() components(元件)."(.")
Metasurfaces(超颖表面) consist(组成) of(of) intricate(复杂),(,) nanoscale(纳米级) patterns(图案) that(that) can(可以) achieve(实现) physical phenomena(物理现象) otherwise(否则) impossible(不可能) at(at) the macroscale(宏观尺度).(.) The researchers(研究人员)'(') metalens(metalens) consists(组成) of(of) a(一个) field(领域) of(of) pillars(柱子),(,) each(每个) 1(1) micrometer(微米) tall() and() 100-250(100-250) nanometers(纳米) in(in) diameter(直径),(,) arranged(排列) in(in) such(such) a(a) way(方式) that(that) they(它们) focus(聚焦) light(光线) like(一样) a(a) traditional(传统) curved(弯曲) lens(透镜).(.) Etched(蚀刻) onto(onto) the surface(表面) of(of) the diamond(金刚石) and() aligned(对齐) with(with) one(one) of(of) the NV(NV) centers(中心) inside(内部),(,) the metalens(元透镜) guides(引导) the light() that(that) represents(表示) the electron(电子)'s('s) spin(自旋) state(状态) directly(直接) into(into) an(an) optical(光纤) fiber(纤维),(,) streamlining(简化) the data(数据) collection(采集) process(过程).(.)
"(")The actual(实际) metalens(metalens) is() about(大约) 30(30) microns(微米) across(across),(,) which(which) is() about(大约) the diameter(直径) of(of) a(a) piece() of(of) hair(头发).(.) If(如果) you() look() at(at) the piece() of(of) diamond(钻石) that() we(我们) fabricated(制作) it() on,(on,) you() can(能够)'t('t) see() it.(it.) At(At) most(),(,) you() could(可以) see(看到) a(一个) dark(黑色) speckle(斑点),"(,") says() Huang().(.) "We("We) typically(通常) think(认为) of(of) lenses(镜头) as(as) focusing(聚焦) or() collimating(准直),(,) but(但是),(,) with(with) a(a) metastructure(metastructure),(,) we(我们) have(have) the freedom(自由) to(to) design(设计) any(任何) kind() of(of) profile(轮廓) that(that) we(我们) want(想要).(.) It() affords(提供) us(我们) the freedom(自由) to(to) tailor(定制) the emission(发射) pattern(图案) or() the profile(轮廓) of(of) a(a) quantum(量子) emitter(发射器),(,) like() an(an) NV(NV) center(中心),(,) which(which) is() not() possible(可能),(,) or() is(is) very(非常) difficult(困难),(,) with(with) free-space(自由空间) optics(光学)."(.")
To(To) design(设计) their(他们) metalens(元素),(,) Bassett(Bassett),(,) Huang() and() Grote(Grote) had to(必须) assemble() a(一个) team(团队) with(with) a(a) diverse(各种) array(阵列) of(of) knowledge(知识),(,) from() quantum mechanics(量子力学) to(to) electrical engineering(电气工程) to(to) nanotechnology(纳米技术).(.) Bassett(巴塞特) credits(信用) the Singh(辛格) Center(中心) for(for) Nanotechnology(纳米技术) as(as) playing() a(a) critical(关键) role(作用) in(in) their(它们) ability(能力) to(to) physically(在物理) construct(构建) the metalens(元透镜).(.)
"(")Nanofabrication(纳米加工) was() a(a) key(关键) component(组成部分) of(of) this() project(项目),"(,") says() Bassett(巴塞特).(.) "We("We) needed(需要) to(to) achieve(实现) high-resolution(高分辨) lithography(光刻) and() precise(精确) etching(蚀刻) to(to) fabricate(制造) an(an) array(阵列) of(of) diamond(金刚石) nanopillars(纳米柱) on(on) length(长度) scales(尺度) smaller() than(than) the wavelength(波长) of(of) light().(.) Diamond(钻石) is() a(一种) challenging(具有挑战性) material(材料) to(to) process(处理),(,) and() it() was() Richard(理查德)'s('s) dedicated(专注) work(工作) in(in) the Singh(辛格) Center(中心) that(that) enabled(使) this(这一) capability(能力).(.) We(我们) were(were) also() lucky(幸运) to(to) benefit(受益) from() the experienced(经验) cleanroom(洁净室) staff(工作人员).(.) Gerald(杰拉尔) helped(帮助) us(我们) to(to) develop(开发) the electron beam lithography(电子束光刻) techniques(技术).(.) We(我们) also() had(had) help(帮助) from(from) Meredith(梅雷迪思) Metzler(Metzler),(,) the Thin Film(薄膜) Area(区域) Manager(经理) at(at) the Singh(辛格) Center(中心),(,) in(in) developing(开发) the diamond(钻石) etch(蚀刻)."(.")
Although(虽然) nanofabrication(纳米加工) comes() with(with) its(它的) challenges(挑战),(,) the flexibility(灵活性) afforded(提供) by(by) metasurface(晶面) engineering(工程) provides(提供了) important(重要) advantages(优势) for(for) real(实际)-()world(世界) applications(应用) of(of) quantum(量子) technology(技术):(:)
"We("We) decided(决定) to(to) collimate(准直) the light() from(from) NV(NV) centers(中心) to(to) go(go) to(to) an(an) optical(光纤) fiber(纤维),(,) as(因为) it() readily(容易) interfaces(接口) with(with) other(其他) techniques(技术) that(that) have(have) been(been) developed(开发) for(for) compact(紧凑型) fiber(纤维)-()optic(光纤) technologies(技术) over(over) the past(过去) decade(十年),"(,") Huang() says().(.) "(")The compatibility(兼容性) with(with) other(其他) photonic(光子) structures(结构) is(is) also() important(重要).(.) There(There) might(可能) be(be) other(其他) structures(结构) that() you() want(想要) to(to)

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