參考消息網1月6日報道 據英國《金融時報》網站12月29日報道，德比爾斯礦業公司在大約80年前曾宣稱“鑽石恒久遠”。如今，這句營銷口號在量子時代有了全新演繹。

  鑽石憑藉其耐久性，數千年來一直是珠寶領域的搶手貨，而如今，科學家正利用這一特性，希望有朝一日將其轉化為最先進的傳感器，用於讀取腦電波、實現無衛星導航，以及更快速、更高效地診斷疾病。

  傳感技術

  鑽石的這一全新時代，依賴於對其規整特質的顛覆。長期以來，正是這種特質使它因美觀而備受珍視。通過在其高度有序的晶體結構中引入微小缺陷，科學家可將其打造成對亞原子量子現象異常靈敏的探測器。

  鑽石這些令人矚目的新用途，是基於奇妙量子力學領域的高規格傳感能力實現飛躍發展的一部分。

  世界正邁入科學家們所稱的“第二次量子革命”。

  第一次量子革命在於對量子行為的理解，從而為電子、激光和超導體的工業時代奠定基礎。第二次革命則在於對這些量子過程的精確控制，以期在計算、加密和傳感等領域開闢具有深遠意義的新應用。

  量子技術在傳感領域的優勢，在於其測量微小變化的能力。

  物理學中的“量子”概念，最初指的是通過向物體發送光或其他形式的輻射所傳遞的特定數量的能量，即離散的“能量包”。根據能量量子的大小，這種輸入可改變原子的可測量特性，如原子的旋轉、振動以及它們電子的行為。

  與宏觀世界的物體行為相比，我們在這一亞微觀領域觀察到的量子效應有時顯得異乎尋常。

  特性相配

  近期頒發的諾貝爾獎提供了一個典型例子。2025年的諾貝爾物理學獎涉及一種名為“隧穿”的量子力學效應。該效應指的是，量子粒子有時似乎不會被物理屏障阻擋，而是可能出現在屏障的另一側。若以人類經驗類比，就好比將網球扔向墻壁，球徑直穿墻而過——卻沒在墻上留下孔洞。

  這些量子過程十分脆弱，極易在振動、磁場等外部環境因素的干擾下崩潰。這意味着它們需要一種堅固的基質材料來保護它們，同時基質材料自身産生的干擾要盡可能小。

  這正是鑽石——地球上最堅硬的天然物質——的用武之地。其碳原子通過強化學鍵連接形成的剛性晶格結構，使其具備抗振動特性。此外，大多數碳原子的原子核具備的固有特性能為量子效應的發生提供一個磁力上的“靜默”環境。

  鑽石的量子特性部分是由20年前的一項偶然發現揭示的。一顆在西伯利亞開採的天然粉鑽被命名為“神奇俄羅斯鑽”。它被切割後送往世界各地的實驗室進行研究。它促使科學家發表了一系列論文，討論其在室溫下維持量子態的異乎尋常的能力。

  量子鑽石

  儘管通過採礦尋找另一顆“神奇鑽石”的努力無果，但科學家最終掌握了在實驗室中製造量子鑽石的技術。

  在牛津郡哈威爾科學園區，工業鑽石製造商“元素六”公司運營的一間實驗室裏，就有這樣一顆鑽石。它是一塊比指尖還小的粉色小立方體，嵌在一個黑色塑料傳感器中。

  這顆合成鑽石內部存在一個所謂的氮-空位中心。這意味着，在晶體中本應由兩個碳原子佔據的相鄰位置，實際被一個氮原子和一個空穴(即氮和碳元素均未佔據的空位)取代。

  量子活動發生在這個氮-空位中心，並與中心內的電子及其具有的一種可變特性——量子自旋——相關。這種自旋會根據外部施加的電磁場或磁場的不同呈現不同狀態，有點類似學校物理實驗中條形磁鐵相互作用時的運動方式。

  “元素六”公司首席技術專家丹尼爾·特威琴説：“可以把氮-空位中心想象成一個指南針。實際上，這個指南針就是一個磁力傳感器。”

  各種變化是可檢測的，因為根據電子的自旋狀態，它們會使氮-空位中心發出更亮或更暗的光。這使得量子鑽石非常適合檢測微小變化。特威琴説，它對磁場變化的靈敏度極高，甚至能探測到百米外街道上行駛的汽車。

  這些量子鑽石通過在生長過程中添加氮元素接受了納米工程改造，從而形成了氮-空位中心。特威琴説：“要製造出這種量子鑽石，你需要在每1百萬個分子中改變一個分子。”

  “元素六”公司的命名源於碳是元素周期表中的第六號元素。該公司是少數幾家走在量子傳感革命前沿的企業之一。

  儘管該公司早在15年前就製造出了第一顆量子鑽石，但直到最近，相關工藝才得以完善，能夠可靠且經濟地進行生産(如今一顆量子鑽石的售價僅為數千英鎊)。同時，將量子鑽石嵌入電子“讀取器”所需的技術也已取得長足進步。（編譯/朱捷）