BOB半岛:北京量子信息科学研究院孙换莹、日本国立物质材料研究

　　本文从经典到量子应用的角度回顾了金刚石基MEMS/NEMS的发展，介绍了金刚石MEMS/NEMS器件的制造工艺和经典应用，以及基于其内氮-空位缺陷与MEMS结构结合、应变-自旋相互作用、金刚石基光力学混合系统在量子传感、量子信息和量子力学基础探索上的应用。

　　微机电/纳机电系统（MEMS/NEMS）由于具有体积小、灵敏度高、功耗低、可与现代电子集成等优点，在传感、驱动、生物、医学、通信和量子技术等各个领域有着重要的应用前景。在微纳机电振子的材料中，金刚石因其优异的力学性能、化学惰性、生物相容性、高导热率、高热稳定性和低本征耗散而受到广泛关注。金刚石MEMS/NEMS器件已在高温磁传感器、射频开关、执行器和高频滤波器等领域得到广泛应用。 此外，其内氮-空位缺陷中心（NV色心）具有长退相干时间，简易初始化和光学读取等优点，基于NV色心的量子器件在数据存储、传感以及量子模拟等方面展现了诱人的应用前景。

　　图1.金刚石MEMS/NEMS在经典和量子领域应用展示。(a)单晶金刚石悬臂梁振子光学图像；(b)金刚石悬臂梁振子用作磁探测结构示意图；(c)单晶金刚石悬臂梁NEMS开关；(d)原子力显微镜悬臂梁探针尖端嵌入NV色心用于物理传感示意图；(f)基于NV色心嵌入的悬臂扫描探针的物理探测结果(e)磁场，(f)电场；(g)金刚石悬臂梁机械振动导致的应变-自旋耦合；(h)金刚石微盘型振子腔光力系统；(i)基于金刚石MEMS器件的量子网络构建示意图。

　　在此综述文章中，作者结合团队在金刚石MEMS/NEMS的十多年来的研究成果，简要综述了金刚石MEMS/NEMS 谐振器在经典领域和量子领域的应用，尤其是与机械微振动相关的研究进展，如图1所示。文章首先介绍了微晶、纳米/超纳米晶和单晶金刚石谐振器结构的制造工艺以及谐振器机械能的耗散机制，其次分别介绍了此三种晶态金刚石MEMS/NEMS器件在力传感、质量传感、压力传感、高温磁传感、微开关等方面的应用。

　　接着，作者介绍了金刚石内NV色心的物理性质、光学探测方法、以及利用NV色心进行探测的基本原理。与机械微振动相关的量子应用包括对NV色心的调制以及金刚石MEMS谐振器的宏观量子态。借助原子力显微镜悬臂梁的纳米空间分辨率的扫描特性，作者介绍了原子力显微镜悬臂梁尖端嵌入 NV 色心的系统在磁场探测、电场探测、位移探测、材料结构成像以及生物离子动力学方面的应用；介绍了机械应变对NV色心的调控以及该系统在量子度量、量子识别、宏观量子态制备方面的应用。基于金刚石优异的机械性能和低本征耗散性能，作者最后介绍了基于金刚石微纳机械振子的腔光力系统。

　　研究表明，在经典领域，常温下金刚石MEMS悬臂梁的品质因子可以超过百万，性能远优于其他半导体和金属材料；并具有极高的热稳定性和可靠性，可用于高频射频MEMS，500oC以上极端环境的磁性传感、质量分析以及高可靠性、高速NEMS开关。在量子领域， MEMS与NV色心构成的系统可以对材料进行纳米尺度的性能表征和成像；自旋-声子耦合提供了一种代替传统电磁调控的新手段；金刚石基腔光力系统提供了光子-声子-NV色心耦合机制，在宏观量子态制备、量子精密测量、量子接口的发展中展现了重要应用前景。得益于材料生长技术的提高和器件结构设计的改进，例如高质量大面积单晶金刚石材料的生长和具有耗散稀释机制的声子晶体型结构器件的制备，作者认为，金刚石MEMS将为阐明量子力学基础问题提供实验平台，为阐明诸如宏观量子叠加态困难、引力对量子退相干的影响、宏观量子纠缠以及经典世界与量子世界的边界等问题提供新的途径。

　　相关工作以“Diamond MEMS: From Classical to Quantum”为题发表在Advanced Quantum Technologies (DOI: 10.1002/qute.202300189)上，文章作者包括北京量子信息科学研究院助理研究员孙换莹，副研究员刘玉龙，日本国立物质材料研究所JSPS外国人特别研究员张子龙，博士研究生陈果，主席研究员廖梅勇以及清华大学李铁夫教授。其同第一作者为孙换莹和张子龙，共同通讯作者为廖梅勇主席研究员和李铁夫教授。

　　Advanced Quantum Technologies （QUTE）是Wiley量子领域旗舰刊，旨在发表经同行评议的高质量高影响力研究论文，范围涵盖量子计算、量子通讯、量子信息、量子光学以及拓扑材料、超导、超冷原子等相关领域的理论、实践及应用相关工作。