量子改性

量子技術領域，加速器在過去十年內一直被大量用于材料改性和表征。基于加速器的技術使用高能離子改變材料原子結構，使科學家能夠控制單個原子的行為。加速器的主要用途是離子注入，該技術廣泛用于半導體，已有幾十年。

“就半導體而言，我們注入大量離子改變例如硅的電性能。”新加坡國立大學副教授Andrew Bettiol解釋說，“而對于量子技術，我們的目標截然不同。我們想對離子進行單個控制。我們不是在注入數百萬或數十億個離子，而是在注入一個離子。”

單離子注入方面的挑戰是確定何時、何地以及是否確實植入了單個離子。“而且，僅僅因為我們把離子植入材料，并不意味著它的工作方式應該是量子位元或色心，”Bettiol說。量子位元，或稱量子比特，是傳統計算中使用的信息搭載比特的復合版，而色心是發射光進行量子感應的缺陷。

2021年5月，原子能機構舉辦了一次為期四天的“離子束應用于材料工程”培訓講習班。講習班介紹了聚焦離子束儀器和單離子檢測。80多名參與者，其中一半來自發展中國家，參加了這次線上講習班，講習班是在一個協調研究項目下實施的，旨在提高對量子領域的認識并讓新來者參與其中。舉辦該講習班的同時，還推出了原子能機構網絡課程“量子技術材料的離子束工程”，旨在吸引下一代量子專家。

“原子能機構一直與各國和國際倡議保持一致，站在協調量子技術國際合作、研究和發展的最前沿，”在原子能機構從事加速器工作的核物理學家Aliz Simon說，“原子能機構正在繼續努力進行協調研究，使量子更好地造福社會。”預計將在今年晚些時候啟動一個新項目，將促進一個基于鉆石色心的生物傳感器平臺的建立和優化，以便探索亞細胞機制。在量子領域，鉆石被用作半導體，從而感知單個活細胞中的電場和磁場。

利用色心進行量子傳感

最純凈的鉆石是一種碳原子晶格，有500多個記錄在案的缺陷可以發光。這些已知缺陷之一是氮-空穴色心。當取出一個碳原子制造一個空位，而一個相鄰碳原子被一個氮原子取代時，就會出現一個氮-空穴色心。“氮-空穴色心可以自然發生，并且隨機分布。利用加速器，我們可以用離子植入法人為地創造這種缺陷，并在納米級鉆石晶體內的特定區域制造缺陷。”Bettiol說。在鉆石的已知缺陷中，氮-空穴中心可以嵌入到納米級鉆石晶體中，而且它可以在室溫下控制，具有生物相容性，對生命系統無害亦無毒。

鉆石氮-空穴中心具有通過光學檢測磁共振（ODMR）技術進行磁場感應的能力。對磁場成像的能力對生物學和材料科學都有影響。“這是一種觀察光發射和檢測生物過程中發生的極微小磁場的光學方法。”Bettiol解釋說，“這種量子生物傳感技術可用于顯示或測量在細胞層面工作并具有極小磁場的過程，例如我們大腦中神經元發射時產生的磁場。”

Bettiol目前的研究將光學檢測磁共振技術用于檢測瘧疾。“感染了瘧疾的紅血球有微小的磁性顆粒，可以用光學檢測磁共振檢測。”他說，“任何產生電磁場的東西都有可能用這種方法檢測出來。”

原子能機構即將開展的項目將進一步研究使用光學檢測磁共振的量子感應，以及傳感設備的表征和優化。這個新項目將匯集對生物傳感有共同興趣的研究人員，源于以前的一個項目，該項目范圍更廣，旨在推進基于加速器的離子束工具。Bettiol說：“原子能機構是一個很好的合作載體，它為專家們創造了一個交流信息和相互學習的平臺。”