[发明专利]金刚石材料

说明书

本发明涉及合成金刚石材料的方法以及可通过该方法制得的合成金刚石材料。该合成金刚石材料具有高的化学纯度和高的同位素纯度且因此其理想地用作适合于自旋电子应用的量子自旋缺陷的主体(host)材料。

在过去20年间，使用和调控用于密码术和量子计算两个主要应用领域的单光子源一直受到很大的关注。

这些应用领域利用本质上基于量子尺度存在的基本性能；在进行测量之前，具有两种或更多种可得到的自旋态的粒子必须被视为具有所有自旋态叠加的粒子。

具有不连续自旋态的粒子例如光子、电子、原子核、原子缺陷等的自旋态可使用许多方法进行调控，并且可使用能量源或检测器检测和/或可控地改变所述自旋态。具有不连续自旋态的电子、光子、原子核或原子缺陷类似于传统计算机中的“比特(bit)”并且被称作“量子位元”(或“量子比特(qubit)”或“量子位(qbit)”)。然而，由于自旋态的量子性质，量子比特可不仅仅以两种自旋态之一存在，而且还以这些自旋态的叠加存在。正是这种自旋态叠加使基于量子比特的计算机能够按比典型计算机所能够的速度要大得多的速度计算某些问题，并且在密码术应用中使发送者确实能够知道信息是否已发送至接收者而无窃听者也知道信息内容。

量子信息处理所需要的关键要素是：量子比特到单个量子系统的低错误编码；相比于选通(gate)时间，量子信息的长久存储；和可控的两量子比特的相互作用从而形成快速量子门。

已提出很多材料和结构用作从量子点半导体到超冷离子阱的量子比特主体。至今为止的替代物遭受到的缺点是仅可能在低温下工作或者具有非常短的横向驰豫时间(称作“T2”)。相反，金刚石中的氮空位(“NV”)缺陷在室温(约300K)下可具有使其用于一系列应用的足够长T2。金刚石中的NV中心可用于量子比特应用，这是因为其具有不连续的量子化磁自旋态。已经使用例如电子顺磁共振(EPR)、光致发光(PL)、光学吸收光谱法和单轴应力下光谱法的技术对NV中心进行了充分表征。在金刚石中NV中心确定为中性电荷状态和负电荷状态(分别为“NV⁰”和“NV^-”)。NV中心在其负电荷状态(NV^-)时具有在637nm的零声子线(“ZPL”)，与就中性状态(NV⁰)的NV中心而言的575nm形成对比。

产生适合于量子比特应用的材料的一个主要问题是防止量子比特退相干(decohering)，或至少延长系统退相干所花费的时间(即延长“退相干时间”)。退相干通常理解为使量子变为经典的过程；宏观世界的确定性产生于描述量子过程的叠加和缠结所依据的过程。退相干时间可以使用横向弛豫时间T2进行量化和对比。T2是用于NMR(核磁共振)和MRI(磁共振成像)技术中的术语并且还称作“相移(dephasing)时间”或“自旋-自旋弛豫时间”。横向弛豫描述了垂直于施加到材料的主磁场返回到平衡即与磁场平行的受激磁矩的弛豫。长的T2时间在例如量子计算的应用中是期望的，因为其允许更多时间用于量子门阵列运行，且因此允许实施更加复杂的量子计算。

在特定材料中，退相干时间可与例如在金刚石中所考虑的比磁矩相关，关于¹³C原子核的磁矩与NV^-中心的电子自旋态的磁矩相比可以具有不同的T2。这些磁矩中的每一种可有利地用于量子应用，尽管在许多方面它们在这种类型的应用中显示出不同的益处和限制，因此重要是要清楚所报导的T2是关于哪一种磁矩。在本说明书中，除非另外说明，“T2”将是指量子自旋缺陷(例如金刚石中的NV^-中心)的电子自旋态的退相干时间，其它T2值将适当进行量化，例如“T2[¹³C]”是指¹³C原子核磁矩的T2时间。

在US 7,122,837中，金刚石中的NV中心以受控方式产生。在一个实施方案中，使用CVD方法形成单晶金刚石，并然后进行退火以除去NV中心。然后用控制数目的NV中心形成单晶金刚石的薄层。NV中心形成用于电子电路的量子比特。掩膜式和控制离子注入与退火联合用于CVD形成的金刚石以产生用于光学应用和纳米机电装置形成的结构。波导可以形成与NV中心的光耦合并且进一步与光源和光检测器耦合以与NV中心相互作用。

Kennedy和Linares(Phys.Stat.Sol.(b)，233(2002)，416-426)公开了含有在1.5-100K温度下T2为32μs的NV中心的金刚石。