加州大学伯克利分校3D打印量子传感器，为精密测量、生物成像等领域带来新应用
时间:2023-11-03 14:29 来源:南极熊 作者:admin 点击:次
2023年11月2日，来自加州大学伯克利分校的研究人员在3D
打印量子传感器粉末取得了新的突破。量子传感是一个前景广阔的新兴领域，但事实证明为这些纳米级传感器构建晶体基板具有挑战性。现在，该大学的研究人员开发了一种新颖的制造方法，将量子传感粒子构造成复杂的
3D 配置，可以准确检测微观环境中温度和磁场的变化。
图片来源：加州大学伯克利分校加州定量生物科学研究所生物分子纳米技术中心
研究人员使用增材制造方法来生产高度可定制的 3D 结构，该结构可以容纳含有量子传感元件的微小钻石。这些可打印的量子传感器可以在室温下进行灵敏的测量，这可能为材料科学、生物学和化学的变革性应用打开大门。
相关研究以题为“Complex Three-DimensionalMicroscale Structures
for Quantum Sensing Applications”的论文被发表在《纳米快报》杂志上。Grigoropoulos 和化学助理教授
Ashok Ajoy 担任该研究的联合首席研究员。共同主要作者包括布兰肯希普和扎卡里·琼斯（Zachary
Jones），后者是阿乔伊实验室和劳伦斯伯克利国家实验室的博士后研究员。合著者包括来自机械工程系的 Naichen Zhao、Runxuan
Li、Erin Suh 和 Alan Chen，以及来自化学系的 Harpreet Singh 和 Adrisha Sarkar。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02251
这项研究由加州大学伯克利分校机械工程系的激光热实验室负责完成，获得了国家科学基金会资助，项目的主要目标是使用多光子光刻技术设计和制造复杂的混合材料。
这项研究的共同主要作者、加州大学伯克利分校机械工程系研究生 BrianBlankenship
表示：“我们的工作展示了将量子传感器与先进增材制造技术相结合的潜力，这使我们能够创造出原本不可能实现的新设计。几年后，这项技术可能会被用来将传感器整合到微流体、电子和生物系统中，并为量子传感器广泛应用于我们尚未考虑过的其他应用开辟新途径。”
联合首席研究员、加州大学伯克利分校机械工程教授 CostasGrigoropoulos
补充道：“由于这种新的制造技术可以实现定制，因此可以精确设计具有所需性能的结构。这些建筑材料经过优化，可提供量身定制的机械响应。它们结合了传感和驱动功能，适用于结构材料、组织工程和光机械系统的应用。”
量子传感器利用原子和光的特性来测量磁场和电场、应变和温度的微小变化。如今，它们被用于地球上一些为 GPS 系统提供动力的最精确的时钟，并且人们对将这些传感器应用于其他领域（包括神经科学）抱有浓厚的兴趣。
△氮空位中心嵌入具有复杂几何形状的微型 3D 结构中。这些结构可以通过光学成像来测量其内部的温度和磁场。图片来源：布莱恩·布兰肯希普。
但Grigoropoulos表示，将量子传感器从原始实验室条件中剥离出来是很困难的。“许多量子传感平台需要极冷的温度——低于冰点数百度——才能正常运行，”他说。“此外，这些材料通常需要非常干净和完美的结晶，这可能会阻碍它们在许多实际应用中的使用。”
为了解决这个问题，研究人员采用增材制造技术将量子传感粒子（称为氮空位中心）构造成
3D配置。当金刚石内的单个碳原子被氮原子取代并且相邻的碳原子为空时，就会出现这些氮空位中心。氮空位中心是独一无二的，因为它们在室温下工作得非常好，即使它们是粒子也能保持其量子特性。
Blankenship说：“我们的方法克服了与构造单晶衬底相关的挑战，并且这些氮空位中心可以在室温下可靠地工作。我们证明，通过使用改进的显微镜，我们可以精确测量这些结构内部的温度和磁场。”
根据Blankenship的说法，研究人员乐观地认为这一进步将为量子传感的新可能性铺平道路。他说：“这项技术现在使我们能够将传感元件打印到现有的微流体芯片中，在先进的半导体器件甚至细胞支架之上，同时为这些系统提供先进的诊断。虽然我们的论文重点是测量温度和磁场，但我们相信这项工作也可以扩展到其他类型的精密测量领域。”
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