2026年6月24日——钻石长久以来因其美丽而备受珍视。它们耀眼的色泽和净度使其成为奢侈珠宝的理想之选。然而，钻石的硬度、导热性和耐化学性等其他独特特性，也使其适用于工业和高科技领域的多种应用。

在量子尺度上，经过精心设计的钻石可以像微型传感器一样工作——能够“感知”附近分子的磁信号。简单来说，它们可以捕捉到极其微弱的信号，这些信号是传统仪器无法察觉的。这一能力有助于我们检测水中的污染物、识别疾病生物标志物，并实时监测化学过程。

澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的一个团队，与来自墨尔本大学和日本国家量子科学技术研究所（QST）的合作伙伴一起，正在开发先进的制造方法，将钻石“粉尘”——从廉价工业过程中获取的微小颗粒——转化为适用于量子技术的精密纳米金刚石。

该团队的目标是开发一条可规模化、成本较低的路径，用于本地生产量子级金刚石材料。这将推动澳大利亚的关键量子技术发展，增强区域创新能力，并减少对不可预测的全球供应链的依赖。

是什么让钻石变成“量子”钻石？

让我们稍微深入技术层面。

钻石的结构由碳原子晶格构成。在这种晶体结构中，每个碳原子以四面体排列方式与其他四个碳原子键合，形成一个刚性的三维网络。量子级金刚石在这种晶格中含有特定的原子尺度“缺陷”，从而能够创建量子系统。由于钻石是自然界中最坚固的结构之一，它们能够在室温下承载量子系统，而无需像其他材料那样冷却到低温（-273摄氏度）。

像钻石一样闪耀

这些“缺陷”中最有用的之一被称为氮空位（NV）中心。当一个碳原子被氮原子取代，且晶格中相邻的一个碳原子缺失时，便会产生这种缺陷。

当我们用绿光照射NV中心时，它会发出荧光，呈现红色光芒。这种荧光的亮度和行为会随周围环境（如磁场、电场、温度或应力）而变化。通过测量这些变化，科学家可以利用NV中心充当纳米级传感器。

但是，制造良好的NV中心，尤其是在钻石表面附近、能够探测晶体外部情况的NV中心，并非易事。

该过程通常涉及用辐射轰击钻石以产生空位（实质上是撞出一些碳原子），然后加热钻石，使这些空位与氮原子相邻，从而形成NV中心。

对于纳米金刚石而言，表面同样至关重要，因为外层对NV中心的稳定性、亮度和灵敏度有着巨大影响。

### 为什么量子钻石对传感如此重要

这项令人兴奋的技术有望加速量子赋能创新在多个领域的部署，包括医疗诊断、环境监测、国防、导航以及未来的量子计算系统。

NV金刚石传感器可以检测与分子相关的微弱磁信号，为识别复杂混合物中的化学物质开辟新途径。这可能会带来各种新发现，以及更清洁、更安全的化学制造。

在未来的生物医学诊断领域，基于金刚石的量子传感器可以更快速、更便捷地检测生物标志物，同时也有助于在环境监测中检测微量污染物，为修复和决策提供更快的反馈。

在国防和安全领域，紧凑型、室温工作的量子传感器在威胁检测、弹性导航和现场部署监测系统方面具有潜在用途。

目前，许多基于金刚石的量子系统依赖稀缺且昂贵的单晶金刚石材料，这些材料不仅价格高昂且难以生产。CSIRO的研究人员正在开发一条能耗更低、可规模化的路径，来生产带有可用于传感的NV中心的纳米金刚石，旨在降低成本障碍并扩大金刚石量子传感的应用范围。

构建量子材料的自主能力

量子技术日益受到专用材料和制造专业知识获取渠道的影响。QST是全球量子材料领域的领导者，拥有澳大利亚所不具备的世界级量子束流设施。这一合作将使CSIRO的研究人员能够利用这些专业能力来开发和测试新的制造方法，同时发挥澳大利亚在纳米材料加工、表面化学和量子传感方面的优势。最终目标是让该团队在本地重建这一能力，而无需依赖大型国际多尺度设施。

开发一条澳大利亚本土的量子级金刚石路径——从本地起始原料到验证传感性能，再到中试规模生产——支持了自主能力建设，并代表着向确保澳大利亚在全球量子经济中地位迈出的重要一步。

它还有助于降低澳大利亚研究人员、行业合作伙伴及需要可信赖、本地支持技术的政府用户的供应链风险。通过战略性的国际合作和国内能力建设，这项研究为澳大利亚的科学、工业和制造业创造了新的机遇。

下一步计划

在下一阶段，该团队将专注于提高一致性和性能——包括控制NV中心与表面的距离，以及如何处理纳米金刚石表面以实现稳定性和传感功能。

合作伙伴的测试和表征将有助于完善制造配方，同时CSIRO将致力于在实际传感场景中对材料进行验证。

如果科学家能够解锁将钻石粉尘大规模转化为高性能量子钻石的工艺，澳大利亚就可以从本地资源中获取更多价值，同时推动下一代量子传感技术的发展——从化学检测到健康和环境应用——并以可信赖的自主制造能力为支撑。

这项研究通过与日本国家量子科学技术研究所（QST）和墨尔本大学的合作正在推进中。该合作将QST世界领先的量子束流和辐照设施与澳大利亚在纳米金刚石加工、表面和量子传感方面的专业知识相结合。

在澳大利亚政府全球科技外交基金的支持下，该项目加强了澳日科学联系，同时建立了一条全新的、端到端的量子级金刚石材料生产能力——最终将澳大利亚定位为全球量子技术供应链中值得信赖的合作伙伴。