面對國內在高品級量子鉆石被“卡脖子"的技術(shù)難題，劉曉兵教授毅然決定要牽頭自主開(kāi)發(fā)量子鉆石?！皣鴥葘Ω咂芳壛孔鱼@石的需求基本上都依賴(lài)國外進(jìn)口，但隨著(zhù)國際科技競爭越來(lái)越激烈，近年來(lái)以美國為首的西方國家在功能金剛石方面對我們實(shí)施出口限制。"張曉冉說(shuō)道，正是在這樣嚴峻的形勢下，團隊開(kāi)啟了量子金剛石的自主研發(fā)之路。

經(jīng)過(guò)多年深耕，團隊在金剛石內部缺陷調控機理方面取得重大突破，成功研發(fā)了高溫高壓條件下無(wú)損制備高質(zhì)量NV色心的技術(shù)?；谶@項技術(shù)，他們完成了一系列量子鉆石的開(kāi)發(fā)，包括達到國際領(lǐng)先水平的單色心量子鉆石，密度可從1ppm調控到40多ppm的高密度色心量子鉆石，以及面向生物傳感應用的納米量子鉆石等。

“NV色心作為一種非常優(yōu)異的固態(tài)量子系統，在量子計算、量子通信、量子傳感等領(lǐng)域展現出巨大的應用潛力。"張曉冉解釋道，“但不同應用場(chǎng)景對色心特性提出了高度差異化的要求。

具體而言，量子計算、量子網(wǎng)絡(luò )以及高空間分辨率精密探測等應用需要高相干、可獨立操控的單色心；而量子模擬、量子存儲以及高靈敏度量子傳感等領(lǐng)域則需要高密度高相干的集群NV色心。因此，對NV色心的類(lèi)型、密度、相干性質(zhì)及擇優(yōu)取向性等方面的可控制備，成為量子技術(shù)從實(shí)驗室走向實(shí)用化的關(guān)鍵挑戰之一。

“ODMR系統可以說(shuō)是開(kāi)展NV色心研究的最核心設備。"張曉冉強調，通過(guò)ODMR共聚焦熒光mapping采集，可以獲取NV色心的類(lèi)型和密度；通過(guò)連續波以及脈沖實(shí)驗，可以開(kāi)展NV色心擇優(yōu)取向以及相干性質(zhì)的表征；在應用研究層面，ODMR系統還可用于樣品磁、熱、力等物理信號的量子傳感。

研究人員操作量子鉆石單自旋譜儀（ODMR）

2022年初，團隊開(kāi)始與國儀量子建立合作，至今已使用其ODMR系統3年半時(shí)間?！皣鴥x量子是國際上NV色心相關(guān)儀器開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的先鋒團隊。"張曉冉評價(jià)道。根據科研需要，團隊先后配置了兩臺ODMR系統，累計完成了上千顆實(shí)驗樣品的表征。

談到使用體驗，張曉冉給出了高度評價(jià)：“在硬件層面，這臺ODMR系統實(shí)現了光學(xué)模塊、探頭模塊、微波模塊、磁體模塊以及控制模塊的高度集成，大量節省了實(shí)驗臺空間，同時(shí)顯著(zhù)提升了系統穩定性，可以有效控制實(shí)驗長(cháng)期運行過(guò)程中常見(jiàn)的光路漂移等問(wèn)題。"

軟件設計方面同樣出色?！坝脩?hù)界面非常簡(jiǎn)潔，功能分區十分清晰，使我們的科研人員能夠快速上手。軟件對實(shí)驗流程的自動(dòng)化設計，極大簡(jiǎn)化了操作步驟，提高了實(shí)驗效率。"

量子鉆石單自旋譜儀（ODMR）

更讓團隊印象深刻的是國儀量子的技術(shù)支持服務(wù)?！笆矍肮こ處熱槍υO備的不同功能進(jìn)行細致講解和實(shí)操指導，幫助我們快速掌握設備核心功能；設備運行中遇到問(wèn)題，公司技術(shù)團隊總能快速響應并提供解決方案，無(wú)論是遠程協(xié)助調試還是現場(chǎng)維護，都能高效解決問(wèn)題，保證了實(shí)驗的順利開(kāi)展。"張曉冉表示，“這些實(shí)實(shí)在在的使用體驗讓我們深刻感受到公司的技術(shù)實(shí)力，以及采購國產(chǎn)設備的優(yōu)勢。"

在國儀量子ODMR系統的助力下，曲阜師范大學(xué)團隊取得了一系列突破性成果。與國際現有量子鉆石相比，他們不僅針對不同應用場(chǎng)景進(jìn)行定制化開(kāi)發(fā)，構建了更豐富多元的量子鉆石體系，更在材料性能上達到了國際領(lǐng)先水平。

“例如，我們制備的單色心樣品，其自旋相干時(shí)間最長(cháng)可達720μs，光學(xué)共振激發(fā)光譜最小線(xiàn)寬僅30MHz，相干性能已經(jīng)實(shí)現了天然豐度金剛石的最高水平；對于高密度NV色心量子鉆石，密度可達46ppm，這也刷新了NV色心密度的國際紀錄。"張曉冉自豪地說(shuō)道。

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