创新背景

金刚石晶格中的点缺陷（例如氮空位色心，硅空位色心等）有在众多实际应用中推广的巨大潜力，包括量子信息处理，量子计算，量子光学，和量子传感等。期中，由于氮空位（NV）色心具备独特的室温量子性质而倍受关注。同时NV色心能够在纳米尺度的金刚石颗粒中稳定存在，使得这些包含NV色心的纳米金刚石颗粒作为多功能纳米粒子应用于众多领域中。例如，作为纳米尺度的探针用于测量单细胞内的温度和磁场；作为荧光标记在生物体内追踪生物动力学过程等等。

在实际应用中，人们往往需要精确地操控含有NV色心的纳米金刚石颗粒以开发它们的全部能力。因此，精确地将纳米金刚石颗粒放置于空间中的合适位置变得极为重要。然而这一点很难做到，因为纳米金刚石颗粒之间存在较大的差异：现有的制造方法导致每颗纳米金刚石颗粒都具有独特的形貌，尺寸和表面性质。

创新过程

发表在《先进科学》（Advanced Science）上，由香港大学机械工程系Ji Tae Kim教授和香港大学电机电子工程系Zhiqin Chu教授领导的题为“On-Demand, Direct Printing of Nanodiamonds at the Quantum Level”(DOI：10.1002/advs.202103598)的研究文章，通过程序控制的纳米级精度的打印方法，打印出金刚石纳米颗粒中的氮-空位色心，实现了对含有甚至是单个NV色心的纳米金刚石颗粒的高精度控制。该技术将为制造量子讯息处理器和生物传感器等量子器件，开拓出一条实用且具经济效益的出路。

这个操作简单的方法具有广泛的适用范围，不仅适用于各种基底，也适用于含有不同浓度或不同色心种类的纳米金刚石颗粒。研究表明，打印的纳米金刚石数量可以控制在单颗粒水平，且打印位置的空间误差可以控制在127纳米以下。相关成果发表在《先进科学》(Advanced Science)，该技术被选为期刊底面的当期精选故事，并已申请美国专利发明。

氮-空位色心（NV色心）是一种在金刚石（钻石的原石）晶体结构中最常见的点缺陷，是当前最具代表性的量子体系。NV色心是原子级别的固态设备，作为重要的量子材料，它拥有光学可调的自旋自由度，在固态量子处理器中具有量子比特和量子探测器等核心功能。

现今的量子材料加工十分困难，不少量子材料只能在极低温（−150°C至绝对零度−273°C）环境下进行操作。由于金刚石（钻石原石）中的NV色心在室温下也具有强力的量子态，因此这对于实现室温量子器件来说十分重要。

要实现相关应用，对量子技术的一个核心要求是要在集成电路上精准地放置单个NV色心。 这一技术突破将带动量子计算机、量子通讯和量子生物感知等重要新兴领域的发展。但目前技术阻碍主要包括定位精度粗糙、通量低和工艺复杂等问题。现有的几种方案将具有NV色心的纳米金刚石颗粒，定位在各种基板和电路上，当中包括复杂的“拾取和放置”纳米操作方法，效果并不理想。钻石作为最坚硬的材料很难加工。此次研究的新方法足以应对这一难题，团队通过对含有纳米金刚石的亚公升液滴（<10的负18次方升）进行电控的分发，直接将NV色心放置在通用的基底上。

创新价值

本次研发的新技术能体现出亚波长的定位精度、单缺陷级的数量控制水平和自由图案化的能力，满足相关的技术要求。这种新颖的方法将为制造量子信息处理器、量子计算器和生物传感器等量子器件，开拓出一条实用且具经济效益的出路。