鉆石的原子缺陷捕熱研究將影響量子技術

在原子尺度上，鉆石能以意想不到的方式短暫捕獲熱量，或將改變量子技術發展格局。

科學家通過多維相干光譜技術（2DIR）研究鉆石原子缺陷時發現，鉆石在原子尺度上能以出人意料的方式短暫捕獲熱量。這一發現或將影響科學家設計鉆石基量子技術（包括超精密傳感器和未來量子計算機）的思路。

華威大學研究團隊在鉆石的原子缺陷周圍發現了"熱點"，這一發現對鉆石作為世界最佳導熱體的固有認知提出了挑戰。華威大學物理學教授詹姆斯·勞埃德-休斯解釋稱："在鉆石的分子尺度缺陷中發現熱基態令我們極為驚訝。鉆石本是最佳導熱體，理論上能量傳遞會阻止此類效應發生。但在納米尺度上，部分聲子（振動能量包）會在缺陷附近滯留，形成微小的熱環境并對缺陷本身產生影響。"

研究團隊聚焦鉆石中一種氮原子取代碳原子并與氫鍵結合的特定原子缺陷（Ns:H-C0缺陷）。當用超快紅外激光脈沖激發缺陷的碳氫鍵時，研究人員原本預期熱量會立即消散到鉆石晶格中。然而先進光譜技術揭示了奇特現象：缺陷會短暫進入"熱基態"，這意味著周圍晶體仍處于高溫狀態且缺陷本身發生改變。根據新聞稿，附近積聚的振動能量將缺陷的紅外特征推向更高能量水平，該過程在幾皮秒內達到峰值后衰減。

牛津大學物理學博士后研究員（前華威大學博士生）簡基特博士表示："我們首次將該技術應用于鉆石缺陷研究，直接觀測到熱基態形成超出了預期。這項創新方法取得的成果令人欣喜，我們期待用該技術探索更多可能性。"

團隊還解釋了鉆石無法立即消除該能量的原因：缺陷通過產生特定高能量聲子釋放能量，這類振動無法長距離傳播。這些聲子移動緩慢且快速散射，在缺陷周圍形成微小熱泡，最終衰變為移動更快的載熱振動。

華威大學物理學博士趙佳輝指出："瞬時局部加熱效應至關重要，因為缺陷是微小而敏感的量子系統，環境的瞬時變化都可能影響其在量子技術中的穩定性、精確性和實用性。"

氮空位（NV）和硅空位（SiV）等鉆石缺陷可作為敏感傳感器和量子信息處理單元，其性能取決于自旋態的穩定性，而自旋態深受周圍晶格振動影響。這項發表于《物理評論快報》的研究顯示，用于控制缺陷的光學技術可能無意中產生短暫存在的微小熱區，這些局部溫度峰值會微妙干擾自旋態，可能影響鉆石基量子器件的相干時間和整體性能。

研究證實當鉆石中某些分子尺度缺陷被光激發時，會產生短暫存在的微小"熱點"，瞬間扭曲周圍晶體結構。這種畸變僅持續數萬億分之一秒，但已足以影響量子相關缺陷的行為。研究人員通過結合合成技術、超快振動光譜與第一性原理計算發現，激發缺陷的伸縮模式會導致局部聲子產生并形成熱基態，使原子間勢發生瞬態改變。

研究團隊總結稱："我們的研究揭示了鉆石在超高導熱性條件下仍存在非平衡聲子效應，這對量子缺陷工程具有重要意義。"

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