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(shí)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(shí)驗(yàn)室和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)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(xiàng)研究由加州大學(xué)伯克利分校機(jī)械工程系的激光熱實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)完成,，獲得了國家科學(xué)基金會資助，項(xiàng)目的主要目標(biāo)是使用多光子光刻技術(shù)設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜的混合材料,。

這項(xiàng)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(shí)現(xiàn)的新設(shè)計(jì)。幾年后,，這項(xiàng)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,�,！�

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(shí)現(xiàn)定制,，因此可以精確設(shè)計(jì)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,�,！�

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(shí)驗(yàn)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(diǎn)數(shù)百度——才能正常運(yùn)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(shí)際應(yīng)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(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(dú)一無二的，因?yàn)樗鼈冊谑覝叵鹿ぷ鞯梅浅：�,，即使它們是粒子也能保持其量子特性�?/div>

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(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在使我們能夠?qū)�傳感元件打印到現(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(diǎn)是測量溫度和磁場,，但我們相信這項(xiàng)工作也可以擴(kuò)展到其他類型的精密測量領(lǐng)域�,！�