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科学家提出适配量子传感器的新型3D打印技术！

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发布时间：2023-11-01

 

量子传感是一个前景广阔的新兴领域，但为这些纳米级传感器构建晶体基底一直是个难题。现在，伯克利大学的研究人员开发出了一种新颖的制造方法，能将量子传感粒子构造成复杂的三维构型，从而准确探测微观环境中的温度和磁场变化。

 

一种用于量子传感器的新型三维打印技术使研究人员能够在具有复杂几何形状的微米级三维结构中嵌入氮空位中心。这甚至包括纳米级“3DBenchy”——一种类似于拖船的测试模型。

 

图片由加州大学伯克利分校加州定量生物科学研究所生物分子纳米技术中心提供
 
 
据《纳米快报》（Nano Letters）杂志报道，研究人员利用快速成型制造方法制造出高度可定制的三维结构，这种结构可以容纳含有量子传感元件的微小金刚石。这些可打印的量子传感器可在室温下进行灵敏测量，这可能会为材料科学、生物学和化学领域的变革性应用打开大门。
 
这项研究的共同第一作者、机械工程系研究生布赖恩·布兰肯希普（Brian Blankenship）说：“我们的工作展示了将量子传感器与先进的增材制造技术相结合的潜力，这使我们能够创造出其他方法无法实现的新设计。”
 
“几年后，这项技术可能会被用于将传感器集成到微流体、电子和生物系统中，并为量子传感器在其他应用中的广泛应用开辟新的途径，而这些应用我们甚至还没有想过。”
 
共同首席研究员、机械工程学教授科斯塔斯·格里戈罗普洛斯（Costas Grigoropoulos）补充说，由于这种新的制造技术可以实现定制，因此可以精确地设计出具有所需特性的结构。“这些结构材料经过优化，可提供量身定制的机械响应。它们结合了传感和致动功能，可应用于结构材料、组织工程和光机电系统。”
 
 
量子传感器利用原子和光的特性来测量磁场、电场、应变和温度的微小变化。如今，量子传感器已被用于地球上为全球定位系统提供动力的一些最精确的时钟中，人们对将这些传感器应用于包括神经科学在内的其他领域有着浓厚的兴趣。
 
但是，格里戈罗普洛斯认为，将量子传感器带出原始实验室条件是很困难的。他说：“许多量子传感平台需要极低的温度——零下几百度，才能正常工作。此外，这些材料通常需要非常洁净和完美的结晶，这可能会阻碍它们在许多实际应用中的使用。”
 
为了解决这个问题，研究人员采用了增材制造技术，将量子传感粒子（称为氮空位中心）构造成三维构型：当金刚石内部的单个碳原子被氮原子取代，而相邻的碳原子为空时，就会出现这些氮空位中心。氮空位中心的独特之处在于，它们在室温下的工作性能出奇地好，即使在成为颗粒时也能保持其量子特性。
 
金刚石NV色心结构和能级图
 
氮空位中心嵌入具有复杂几何形状的微尺度三维结构中，这些结构可以通过光学成像来测量其内部的温度和磁场。
 
量子传感测量
 
布兰肯希普说：“我们的方法克服了与单晶基底结构相关的挑战，这些氮空位中心可以在室温下可靠地工作。我们证明，通过使用改良显微镜，我们可以对这些结构内部的温度和磁场测量进行精确测量。”
 
布兰肯希普表示，研究人员乐观地认为，这一进展将为量子传感的新可能性铺平道路。
 
“现在，这项技术让我们有能力将传感元件打印到现有的微流控芯片、先进的半导体器件甚至细胞支架之上，同时为这些系统提供先进的诊断方法。然我们的论文侧重于测量温度和磁场，但我们相信这项工作也可以扩展到其他类型的测量。”
 
参考链接：
[1]https://engineering.berkeley.edu/news/2023/10/researchers-demonstrate-new-3d-printing-technique-for-quantum-sensors/

[2]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02251

 

 

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