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在量子科技浪潮席卷全球的今天，金剛石NV色心（氮-空位色心）以其獨特的性質，成為量子計算、量子通信和量子傳感領域的關鍵材料。然而，長期以來，國內高品級量子鉆石依賴進口，面臨國外技術封鎖的“卡脖子”難題。曲阜師范大學高壓物理與材料科學研究團隊（HPPMS）在劉曉兵教授的帶領下，憑借國儀量子ODMR（量子鉆石單自旋譜儀）系統的支持，成功研發出性能達到國際領先水平的量子鉆石，為我國量子信息技術的自主化注入了新動能。

解決量子鉆石“卡脖子”難題

“我們團隊是‘高壓物理與材料科學研究團隊’，簡稱HPPMS，成立于2018年。”團隊成員張曉冉博士后介紹道。在劉曉兵教授的帶領下，這支團隊從成立之初就將目光投向了量子功能材料領域，特別是功能級金剛石材料的研發。

面對國內在高品級量子鉆石被“卡脖子”的技術難題，劉曉兵教授毅然決定要牽頭自主開發量子鉆石。“國內對高品級量子鉆石的需求基本上都依賴國外進口，但隨著國際科技競爭越來越激烈，近年來以美國為首的西方國家在功能金剛石方面對我們實施出口限制。”張曉冉說道，正是在這樣嚴峻的形勢下，團隊開啟了量子金剛石的自主研發之路。

經過多年深耕，團隊在金剛石內部缺陷調控機理方面取得重大突破，成功研發了高溫高壓條件下無損制備高質量NV色心的技術。基于這項技術，他們完成了一系列量子鉆石的開發，包括達到國際領先水平的單色心量子鉆石，密度可從1ppm調控到40多ppm的高密度色心量子鉆石，以及面向生物傳感應用的納米量子鉆石等。

技術挑戰：為什么NV色心可控制備如此關鍵

“NV色心作為一種非常優異的固態量子系統，在量子計算、量子通信、量子傳感等領域展現出巨大的應用潛力。”張曉冉解釋道，“但不同應用場景對色心特性提出了高度差異化的要求。

具體而言，量子計算、量子網絡以及高空間分辨率精密探測等應用需要高相干、可獨立操控的單色心；而量子模擬、量子存儲以及高靈敏度量子傳感等領域則需要高密度高相干的集群NV色心。因此，對NV色心的類型、密度、相干性質及擇優取向性等方面的可控制備，成為量子技術從實驗室走向實用化的關鍵挑戰之一。

國儀量子ODMR，完成上千顆樣品的測試表征

“ODMR系統可以說是開展NV色心研究的最核心設備。”張曉冉強調，通過ODMR共聚焦熒光mapping采集，可以獲取NV色心的類型和密度；通過連續波以及脈沖實驗，可以開展NV色心擇優取向以及相干性質的表征；在應用研究層面，ODMR系統還可用于樣品磁、熱、力等物理信號的量子傳感。

研究人員操作量子鉆石單自旋譜儀（ODMR）

2022年初，團隊開始與國儀量子建立合作，至今已使用其ODMR系統3年半時間。“國儀量子是國際上NV色心相關儀器開發領域的先鋒團隊。”張曉冉評價道。根據科研需要，團隊先后配置了兩臺ODMR系統，累計完成了上千顆實驗樣品的表征。

技術硬實力配合全流程服務

談到使用體驗，張曉冉給出了高度評價：“在硬件層面，這臺ODMR系統實現了光學模塊、探頭模塊、微波模塊、磁體模塊以及控制模塊的高度集成，大量節省了實驗臺空間，同時顯著提升了系統穩定性，可以有效控制實驗長期運行過程中常見的光路漂移等問題。”

軟件設計方面同樣出色。“用戶界面非常簡潔，功能分區十分清晰，使我們的科研人員能夠快速上手。軟件對實驗流程的自動化設計，極大簡化了操作步驟，提高了實驗效率。”

量子鉆石單自旋譜儀（ODMR）

更讓團隊印象深刻的是國儀量子的技術支持服務。“售前工程師針對設備的不同功能進行細致講解和實操指導，幫助我們快速掌握設備核心功能；設備運行中遇到問題，公司技術團隊總能快速響應并提供解決方案，無論是遠程協助調試還是現場維護，都能高效解決問題，保證了實驗的順利開展。”張曉冉表示，“這些實實在在的使用體驗讓我們深刻感受到公司的技術實力，以及采購國產設備的優勢。”

突破性成果 刷新國際紀錄

在國儀量子ODMR系統的助力下，曲阜師范大學團隊取得了一系列突破性成果。與國際現有量子鉆石相比，他們不僅針對不同應用場景進行定制化開發，構建了更豐富多元的量子鉆石體系，更在材料性能上達到了國際領先水平。

“例如，我們制備的單色心樣品，其自旋相干時間最長可達720μs，光學共振激發光譜最小線寬僅30MHz，相干性能已經實現了天然豐度金剛石的最高水平；對于高密度NV色心量子鉆石，密度可達46ppm，這也刷新了NV色心密度的國際紀錄。”張曉冉自豪地說道。

產業化前景：從實驗室走向應用

團隊的研究成果已開始顯現產業化價值。目前，他們在單色心量子鉆石、高密度量子鉆石等成果已成功實現轉化，其他多項技術成果也在穩步推進成果轉化進程。“我們希望這些高品質的量子鉆石能為國內NV色心量子技術的發展提供堅實的材料支撐。”張曉冉表示。

隨著NV色心應用技術研究的不斷突破，量子鉆石的產業化已成必然趨勢。團隊期待與NV色心應用領域的廣大科研工作者積極交流、深入合作，共同推動量子鉆石的制備與實際應用場景的精準對接，攜手推進我國NV色心量子應用技術的創新與落地。

國產高端科學儀器助力科技自立自強

曲阜師范大學的量子鉆石研究之路，是中國科技自立自強的生動寫照。從面臨國外技術封鎖到實現關鍵技術突破，從依賴進口設備到使用國產ODMR系統創造世界紀錄，這支年輕團隊用3年半的時間證明了：國產科研設備不僅能夠滿足前沿科研需求，更能助力中國科學家在國際舞臺上發出強音。

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