2026年10月13日——金刚石最有用的量子特性来自缺陷，即碳原子规则排列被破坏的地方。其中一种缺陷——位于一个由缺失碳原子造成的空位旁边的氮原子——已成为量子技术的关键组成部分。它通常被称为NV中心，是氮-空位（nitrogen-vacancy）的缩写，这种缺陷可以发挥多种作用。它可以是在室温下工作的量子比特，是构建量子计算机和量子网络的基本元素，也可以是一种高度灵敏的磁传感器，能用激光读出，从而探测活细胞和微芯片等物体内部的弱磁场。来自德国、立陶宛和美国的研究人员现在已经弄清了它一旦失去电子后如何恢复工作状态。解释是，一个替代电子由邻近的氮原子通过一种称为隧穿的量子过程提供。

必须借一个电子的传感器

NV中心只有在持有一个额外电子时才能作为量子比特或传感器工作，而这个电子必须从晶体中的另一个缺陷处获得。在工作过程中，它常常会失去这个电子；在某些情况下，该中心根本得不到电子。长期以来，人们已知分散在金刚石各处的氮原子提供电子，但氮原子会将电子束缚得很紧。在半导体中，热量通常足以使电子从缺陷中释放出来，即使在室温下也是如此；随后电子在晶体中移动，并最终被缺陷捕获。对于金刚石中的氮而言，这一过程不会发生：电子被束缚得太强，热量无法将其释放。电子究竟如何从氮原子到达NV中心，直到现在仍是一个谜。人们曾提出隧穿机制，但没有人弄清楚它实际上如何发生，以及如何证明这一点。

电子走捷径

发表在《物理评论快报》上的一项新研究表明，不需要热释放，并解释了这种转移发生的机制。电子直接从氮原子隧穿到NV中心，穿过将它束缚在氮原子上的能量势垒；根据经典物理，它本应永远无法越过这个势垒。

不过，仅有隧穿还不够。电子转移会释放出一股能量，除非有东西吸收它（遵守能量守恒），否则这一跃迁无法发生。量子力学模拟发现，氮原子非常适合承担这一角色，因为它与相邻碳原子的一个键已经断裂；当它给出电子时，缺失的键重新形成，能量则释放到晶体的振动运动中。

维尔纽斯物理科学与技术中心（FTMC）电子结构理论实验室主任Lukas Razinkovas指出，氮原子在这种情况下发挥着特殊作用。

“当电子发生隧穿时，它会释放大量能量，而氮原子在吸收这一特定数量的能量方面表现得极其高效，”他说。

Razinkovas与FTMC的Audrius Alkauskas以及加州大学圣塔芭芭拉分校材料系杰出教授Chris Van de Walle一起进行了量子力学模拟，并建立了能够解释实验观测结果的理论模型。

从纳秒到小时：观察电子返回

隧穿发生的快慢很大程度上取决于氮距离NV中心有多远，电子隧穿所需的时间可能从纳秒（十亿分之一秒）到数小时甚至更长不等。通常，科学家使用泵浦-探测实验来测量这类过程：一个（泵浦）激光脉冲扰动系统（在这里，它从NV中心移除一个电子），第二个延迟的（探测）脉冲测量响应（在这里，电子返回），通常关注的时间尺度仅为十亿分之一秒。为了观察这些缓慢的恢复过程，该团队需要一种能够将过程监测时间长出十亿倍的实验。

马克斯·普朗克聚合物研究所的课题组长Ronald Ulbricht已经创建了这样一种实验；一束脉冲红光激光从这些中心移除电子，而第二束连续且非常微弱的激光穿过金刚石到达探测器。当这些中心开始重新获得电子时，它们会再次吸收那束光，探测器则记录下恢复过程。

“大多数针对这些中心的时间分辨光学研究在激光脉冲后几纳秒就停止了，”Ulbricht说。“从纳秒到秒跟踪信号，使我们能够将NV中心内部的快速弛豫与电荷的缓慢返回区分开来，而那个缓慢部分就是隧穿。”

研究人员观察了不同氮含量的金刚石，氮的含量产生了很大差异：在富氮金刚石中，NV中心恢复其丢失电子的速度快得多。相比之下，金刚石的温度几乎没有影响。将晶体从接近绝对零度加热到室温没有产生可测量的效应，正如隧穿模型所预测的那样。如果该过程是热激活的，那么它会显著加快。

隧穿概率随着距离增加而迅速下降，这意味着间距的微小变化就可能造成时间上的巨大差异。该团队的计算表明，氮原子若位于约两纳米以内——大约相隔十几个原子——就能在十亿分之几秒内恢复该中心。超过五纳米，所需时间就会长达数小时。由于氮原子随机分布在整个晶体中，真实金刚石中应当存在各种时间尺度恢复的中心，介于这些数值之间。在拥有大量氮原子的金刚石中，几乎所有NV中心都能在不到一秒的时间内重新获得电荷。然而，在每百万个碳原子只有一个氮原子的金刚石中，模型预测大多数中心在一小时后仍未恢复。

由于NV中心在等待电子返回期间无法工作，这些时间尺度上的波动会严重妨碍量子器件的可靠运行。这些新结果提供的见解有助于制定策略来帮助稳定NV中心，例如通过合理放置氮原子或其他杂质原子。

超越金刚石

“金刚石是我们能够测量的案例，但这个问题远不止一种材料中的一种缺陷，”Van de Walle说。“紧紧束缚电子的缺陷无处不在：在使LED发光的荧光粉中，在探测辐射的晶体中，在电子芯片的绝缘层中。只要这类缺陷在没有热帮助的情况下交换电子，这就是需要关注的机制，它帮助我们预测教科书图景根本无法预测的情况。”

这项研究的资金由美国能源部科学办公室基础能源科学办公室通过量子优势协同设计中心（C2QA）、马克斯·普朗克学会、立陶宛研究委员会和欧盟提供。

这篇论文献给FTMC的合著者Audrius Alkauskas，他发起了这项理论工作，并在工作完成前去世。