钻石热导仪

【科学背景】拓扑缺陷是指晶格中的扩展变形，它们对局部缺陷和退火具有鲁棒性，能够显著改变材料的整体性质。这种缺陷在液晶、超导体、自旋冰等硬凝聚态物质以及单细胞生物、水螅、运动细菌群落等软物质系统中均有广泛研究。然而，拓扑缺陷的形成动力学和纳米尺度三维结构尚不清楚，阻碍了其在纳米制造中的应用。拓扑缺陷在液晶中首次得到广泛研究，因为可以使用可见光技术。在硬凝聚态物质中，拓扑缺陷包括狄拉克链、自旋冰中的磁单极、斯格明子以及超导体中的涡旋和磁通管。最近，拓扑缺陷和纹理也在单细胞生物水螅的肌动蛋白纤维、运动细菌群落以及双壳类贝类的珍珠层中被发现，它们在发育和再生中起关键作用。这些研究揭示了拓扑缺陷在物质系统中广泛存在的重要性，然而，拓扑缺陷在软物质和硬物质之间的“桥梁”系统中是否存在以及如何形成，仍是一个悬而未决的问题。为了研究拓扑缺陷在软凝聚态物质中的表现，瑞士保罗谢勒研究所D. Karpov以及日本住友化学株式会社J. Llandro等团队合作利用嵌段共聚物（BCP）自组装作为实验实现软凝聚态物质系统的一条便捷途径。BCP自组装可以实现各种形态，其性质可以通过摩尔质量、共聚物组成以及处理（退火）条件进行调节。其中，三维有序连续网络相对罕见，单钻石形态作为一种三维有序网络，由于其潜在的生成完全光子带隙的能力，引起了极大的研究兴趣。然而，即使在添加剂丰富的BCP中，生成有序的单钻石网络也极具挑战性。本研究解决了在纯BCP模板中生成有序单钻石网络并观察拓扑缺陷的问题。研究人员使用基于同步辐射的硬X射线纳米断层扫描，成像了一个直径8&thinsp µ m、高度3&thinsp µ m的圆柱形样品，其中包含一个600&thinsp nm厚的单钻石网络层。通过高达11.2&thinsp nm的3D空间分辨率，解析了单个单钻石晶胞的结构，并分析了网络的长程有序性。研究发现了一对拓扑缺陷——一种“彗星”状和一种“三叶结”状纹理，它们出现在不同取向的钻石晶粒边界上。通过分析这些缺陷的绕数，确认了其拓扑性质，并推测了它们的形成机制。研究表明，拓扑缺陷是同时从BCP/基底界面出现的，从而平衡了系统的拓扑电荷并消散了积累的应变。这项研究表明，通过操控基底几何形状可以控制BCP网络中中尺度拓扑缺陷的形成，解决了拓扑缺陷在纳米尺度三维结构中的研究难题。【科学亮点】1. 实验首次通过X射线断层扫描技术，获得了单钻石网络中近70,000个独立单元晶胞的三维结构，其空间分辨率为11.2 nm。这项技术使得我们能够详细分析网络的长程有序性，揭示了之前未观察到的拓扑缺陷。2. 实验通过对BCP（嵌段共聚物）模板制备的单钻石网络的研究，观察到了形态上类似液晶中拓扑缺陷的彗星状和三叶结状纹理。这些缺陷具有相等且相反的半整数拓扑电荷，显示出典型的硬物质行为。通过分析网络中的应变场，确定了这些拓扑缺陷的拓扑性质，并推测其形成机制是由BCP/基底界面同时出现的，从而平衡系统的拓扑电荷并消散积累的应变。3. 研究表明，操控基底几何形状可以控制BCP网络中中尺度拓扑缺陷的形成。这一发现为未来在纳米制造中利用拓扑缺陷提供了新的途径，可能实现新现象并改善材料性能。4. 本研究的方法不需要预先知道三维纳米结构系统中节点的预期位置，从而可以在大样本中识别变形形态和缺陷。这种高空间分辨率和大样本体积的结合，可以用于研究自组装过程中缺陷形成的宏观距离，推动拓扑驱动物理学在软物质中的应用。【科学图文】图1： (多)粒子结构的体绘制和识别。图2：拓扑缺陷识别。图3：3D金刚石网络结构内部的拓扑缺陷可视化。图4：:应变图谱。【科学结论】本文首次在单钻石网络中观察到中尺度拓扑缺陷，并通过高分辨率X射线纳米断层扫描技术成功解析了约70,000个单钻石晶胞的三维结构。这一突破性进展不仅揭示了拓扑缺陷在这种自组装材料中的新型表现形式，还为理解这些缺陷的形成和行为提供了详细的三维数据。研究发现，彗星状和三叶结状的拓扑缺陷在不同取向的钻石晶粒之间的边界处形成，这与液晶中观察到的拓扑电荷模式在形态上相似，但在行为上却展现出硬物质特征。这一发现强调了拓扑缺陷在材料中的复杂性，并揭示了它们可能与材料的长程有序性和应变分布密切相关。这表明，拓扑缺陷不仅在理论物理中具有重要意义，也在实际材料设计中扮演着关键角色。此外，本文还提出，通过操控基底几何形状可以有效控制BCP网络中中尺度拓扑缺陷的形成。这一新发现为未来纳米材料的设计和缺陷工程提供了新的思路，尤其是在优化材料性能和探索新型材料特性方面。通过调控基底的几何形状，可以实现对材料缺陷的精确控制，从而推动自组装材料在纳米技术和材料科学中的应用。总之，本文的研究为拓扑物理学和纳米材料科学开辟了新的研究方向，并为未来的材料创新提供了宝贵的理论依据和实践指导。原文详情：Karpov, D., Djeghdi, K., Holler, M. et al. High-resolution three-dimensional imaging of topological textures in nanoscale single-diamond networks. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01735-w

一种新型钻石仿冒品在温州出现。12日13日，温州市质检院发出消费提醒，近3个月来，该院宝玉石检验站在日常检测中，检出5件合成碳化硅仿钻石戒指。这种合成碳化硅和钻石相似度很高，建议市民或珠宝商家到专业机构检测。 　　“合成碳化硅的市场价大约1克拉1万元，是正宗钻石的三分之一左右。”市质检院宝玉石检验站检验员说，合成碳化硅是种最新的仿钻石材料，其各项宝石学性质与天然钻石十分相近。 　　在辨别方面，市质检院宝玉石检验站检验员称，当前珠宝加工店基本上是用传统热导仪来区分是不是钻石，而这种合成碳化硅在传统热导仪下的反应跟钻石是一样的，应该改用一种新型热导仪。 　　温州市质检院宝玉石检验站检验员称，对于市民而言，如果懂得一些基本鉴别技能，可使用10倍放大镜来区别，这种放大镜在市场上可以买到，要点如下： 　　1、一般合成碳化硅内部常出现定向排列的针状包体，少数合成碳化硅可能针状包体不明显。 　　2、合成碳化硅可见明显的亭部刻面棱双影现象，钻石则没有。

p style=" text-align: justify " span style=" text-align: center " 　　单量子态的探测 /span span style=" text-align: center " 与 /span span style=" text-align: center " 调控 /span span style=" text-align: center " 及分子尺度的成像技术是精密谱学仪器发展的重要方向。随着对磁探测技术的深入探索，国仪量子公司生产研发的量子钻石单自旋谱仪，基于掺杂金刚石中的氮-空位体系的谱学技术，具有超高的磁探测本领，在物理、化学、生物、材料、医学等不同的学科具有广泛而重要的应用前景 /span sup style=" text-align: center " [1-11] /sup span style=" text-align: center " 。 /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 355px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/725600d0-5eee-420d-a2d4-fb3d0cc6a79e.jpg" title=" 微信图片_20191128151302.png" alt=" 微信图片_20191128151302.png" width=" 500" height=" 355" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图1 各种测磁技术的指标对比 /strong /p p style=" text-align: justify " 　　自旋磁共振技术是目前为止发展最为成熟、应用最广泛的传统技术之一。磁探测相关谱仪具有悠久的发展历史，而实现磁共振探测也具有不同的方法，并且有各自的优缺点。图1直观的展示了霍尔传感器、SQUID探测器和自旋磁共振等几种通用技术手段在灵敏度和分辨率上的分布 sup [12] /sup ，相较传统的测磁技术，基于金刚石的磁共振方法在这两个核心指标上都有较大的提升，这为我们研发量子钻石单自旋谱仪提供了有力参考。 /p p style=" text-align: justify " 　　20世纪50年代，霍尔传感器已经在实验室磁场测量中普遍使用，这类探测器是基于霍尔效应对外界磁场直接测量 sup [13] /sup 。当磁场方向与回路中电流方向不同时，由于洛伦兹力的作用，导体内的电子发生偏转而产生电势差，通过电势差来直接测量磁场大小。磁场探头主要有由半导体晶体组成，能够被制成单片集成电路，抗震性好，易于使用，但是精度不够。 /p p style=" text-align: justify " 　　超导量子干涉仪(SQUID)是基于约瑟夫森结的磁通传感器 sup [14] /sup ，利用约瑟夫森结两端的电压随闭合环路中外界磁通量的变化，可以测量微弱的磁信号。20世纪60年代，Robert 等人研制成功了SQUID。此类测磁技术磁探测灵敏度较高，但是仪器需要在低温环境下工作，且价格昂贵。 /p p style=" text-align: justify " 　　基于钻石体系的微观磁探测是新兴的磁共振探测方法。该技术结合了光探测磁共振技术(ODMR)和金刚石中氮-空位(NV)色心的点缺陷，其工作原理是将NV色心制备成量子干涉仪，利用双共振技术实现高灵敏高空间分辨的磁信号探测。这种技术不需要低温及高真空极端化学条件下就可以正常工作，相比前面几种测磁技术，其具有更高的商业应用价值。 /p p style=" text-align: justify " 　　对磁场进行高分辨率、高灵敏度的测量在工程技术领域有着重要的价值。当前已有的探测手段已经不能满足微观磁共振对高分辨率、高灵敏度技术发展的需要，例如在微观尺度的成像方面，原子力显微镜(AFM)和扫描隧道显微镜(STM)等技术空间分辨率和探针尺寸相当，因此，要实现高空间分辨率，单原子是最佳的选择，而利用量子干涉仪，将弱磁信号转化成相位，可以实现高灵敏度的磁信号探测。 /p p style=" text-align: justify " 　　根据文献报道，NV色心单自旋体系空间分辨率可达5 nm以下 sup [15] /sup ，测磁灵敏度最高能达到 img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/b52f8ecb-6013-43a0-8446-a5fe7839d92e.jpg" title=" 微信图片_20191128144820.png" alt=" 微信图片_20191128144820.png" width=" 66" height=" 24" border=" 0" vspace=" 0" style=" text-align: center max-width: 100% max-height: 100% width: 66px height: 24px " / sup style=" text-align: center " [16] /sup span style=" text-align: center " ，这使得NV色心体系成为高分辨磁探测的有力候选者。由于金刚石NV色心室温下相干时间可以长达ms量级，可以被定位至小于10 nm的精度，电子自旋对外界磁场非常灵敏，以及NV色心与样品之间距离可以小于5nm等优点，因此，NV色心可以做成一种非常强大的单量子传感器。 /span /p p style=" text-align: justify " 　　NV色心具有多电子态能级结构 sup [17] /sup ，处于激发态能级的NV色心有两个竞争的退激发路径：自发辐射跃迁回到基态及系间穿越弛豫到基态。而这两条反应路径的发生概率取决于NV色心基态的自旋状态，因此可以通过收集荧光信号读出自旋态m sub s /sub = 0的概率，并且通过光共振激发能够对NV色心进行初始化。更为重要的是，当电子自旋处在叠加态时，在外界磁场下的动力学演化会积累相对相位，如此便将收集的荧光信号和磁场大小关联起来。 /p p style=" text-align: justify " 　　2008年，Lukin研究组和Wrachtrup研究组几乎同时发现了NV色心具有优良的磁场感应能力，提出NV色心体系可用于高分辨率高灵敏度的磁测量 sup [18-19] /sup 。2012年，Wrachtrup 等人实验验证了单核自旋探测的原理性 sup [20] /sup 。2013年，文献报道了利用金刚石NV色心作为探针对有机样品质子探测，实现了5 nm的微观核磁共振 sup [21] /sup 。因此，金刚石NV色心单自旋体系在传感和探测的应用逐渐发展来，作为磁探测史上的新兴技术具有现实可行性，研制相关的谱学仪器迫在眉睫。 /p p style=" text-align: justify " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 396px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/55ebdb4f-651f-44ed-8124-c24c35fa1570.jpg" title=" 微信图片_20191128143746.png" alt=" 微信图片_20191128143746.png" width=" 600" height=" 396" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图2 商业化仪器现状 /strong /p p style=" text-align: justify " 　　图2所示，市场上全球领先的技术公司，像布鲁克、西门子、飞利浦等研发生产的相关磁共振产品均基于传统磁共振技术，例如NMR(核磁共振)、EPR(电子顺磁共振)、MRI (核共振成像)等磁共振谱仪。然而，基于钻石NV单自旋体系为原理的磁共振谱仪，市场上还未有商业化仪器出现。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 400px height: 292px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/b08c92c0-2b61-46eb-a956-fa8a45c29f38.jpg" title=" 微信图片_20191128153605.png" alt=" 微信图片_20191128153605.png" width=" 400" height=" 292" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图3 量子钻石单自旋谱仪实物图 /strong /p p style=" text-align: justify " 　　目前，国仪量子已掌握基于NV体系的核心技术，并具备成熟的制造工艺，成功研制了量子钻石单自旋谱仪，谱仪实物图外貌如图3所示。该谱仪通过控制光、电、磁等基本物理量，利用ODMR技术实现对钻石中氮—空位(NV色心)发光缺陷的自旋进行量子操控与读出，与传统顺磁共振、核磁共振相比，谱仪具有以下特点: /p p style=" text-align: justify " 　　1. 初态是量子纯态，易于初始化、操控和读出 NV色心的基电子自旋态可以通过光跃迁进行量子态的初始化和读出，利用微波进行量子态的操控。 /p p style=" text-align: justify " 　　2. 自旋量子相干时间长,长相干时间能够保证较长的相干操控及光信号积累。 /p p style=" text-align: justify " 　　3. 超高灵敏度与超高分辨率 由于NV色心的光学性质及其电子波函数特性，制备的单量子干涉仪测量磁场灵敏度可达10 sup -9 /sup T量级，NV色心系综甚至达到了10 sup -13 /sup T量级，其磁场测量空间分辨率可达到亚纳米。 /p p style=" text-align: justify " 　　4. 可以在室温大气条件下运行，对于生物样品有良好的兼容性。 /p p style=" text-align: justify " 　　5. 具备高保真度量子自旋态调控技术，通过自主研发的50 ps时间精度脉冲发生器以及宽带高功率微波调制器件，能够实现对自旋低噪声、高效、快速的量子相干操控。图4为装置拓扑图，谱仪配套了高智能化控制与信号采集软件，能够实现自动光路调节、自动磁场调节以及长时间的无人值守自动测样实验。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 321px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/6186f9ed-0f30-44b0-94bc-2c7f5e4d919d.jpg" title=" 微信图片_20191128143903.png" alt=" 微信图片_20191128143903.png" width=" 500" height=" 321" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图4 仪器系统架构示意图 /strong /p p style=" text-align: justify " 　　国仪量子研发团队同时具有完善的高品质金刚石探针制备工艺，可以自主制备长相干时间、高稳定度的金刚石探针，能够达到比同类产品更高的技术指标。 /p p style=" text-align: justify " 　　基于以上NV固态体系的各种优势，此技术已在量子计算、磁探测、电探测及生物探测有较为成熟的应用。在量子计算领域，NV色心可以作为非常好的量子信息存储和调控的室温固体单自旋材料 sup [1-5] /sup 。例如利用NV色心体系，演示了D-J算法，大数分解算法等，为计算效率的提高带来极大帮助。在精密测量领域，基于金刚石氮-空位色心的精密测量技术，能够实现对电场、磁场、温度、应力等物理量的精密测量，并且赋能于科研、教育、能源、安全、健康、工业等各行各业。例如在生物医学领域，对活体细胞磁场 sup [6] /sup 、温度探测 sup [7] /sup ，以及对神经单元电位探测 sup [8] /sup 等 在材料科学领域，利用ODMR技术实现对不同材料光学性质和几何结构的研究 sup [9-11] /sup 。 /p p style=" text-align: justify " 　　金刚石NV色心为核心的量子钻石单自旋谱仪在磁探测领域崭露头角，满足未来磁共振成像对高分辨率高灵敏度的商业化需求。随着微纳加工技术的发展、谱仪性能的进一步提升，越来越多学科交叉领域的相关应用得到深入挖掘。相信不久的未来NV色心的量子精密测量技术将在国内外得到大范围的推广，前景令人期待。 /p p strong 　　参考文献： /strong /p p style=" margin-top: 5px margin-bottom: 5px text-align: justify " span style=" font-size: 12px " 　　[1] Rong, X., J. 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