金刚石NV中心构建量子热机

一个国际研究小组首次测量了量子助推引擎的量子功率增长。在发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上的论文中，该小组概述了他们在量子助推引擎上的实验，以及他们的研究成果。

      物理学家多年来一直在研究量子热机——它们的工作方式类似于传统的热力发动机，但它们的“工作流体”(其行为方式令人想起蒸汽机中的蒸汽)可以是相干叠加的。这使得该领域的许多人想知道量子引擎是否真的比我们每天看到的经典引擎更好。

      就在四年前，耶路撒冷希伯来大学的一个团队声称找到了答案，报告了一个理论，认为量子引擎确实比传统引擎更有效率。在这项新的努力中，研究人员进行了实验，证明该理论是正确的。

      在他们的实验中，研究人员从金刚石中心的氮空位(NV)开始构建了一个量子热机——他们认为它的两个最低能级表示量子比特的两个级别。在这种情况下，作为工作流体。两种热液的作用是由较高的能级发挥作用。研究人员将他们的NV置于磁场中，导致了能量水平反转，代表了发动机的初始状态。通过在NV处发射微波脉冲来促使工作行程，这迫使量子比特以可调角度旋转。量子比特的旋转减少了团队所提取的NV中心的能量。然后研究人员向NV发射了一束绿色激光，迫使量子位元水平与热浴耦合，使中心恢复到初始状态。

      研究人员重复实验100,000次，改变了循环时间。他们报告说，对于小量子比特旋转角度，功率输出远高于没有相干性的相同类型的发动机——证明他们量子热机比传统发动机更有效。

     金刚石是自然界存在的特殊材料之一，具有最高的硬度、低摩擦系数、高弹性模量、高热导、高绝缘、宽能隙、高的声传播速率以及良好的化学稳定性等，如下表。虽然天然金刚石具有这些独一无二的特性，但是它们一直仅仅是以宝石的形式存在，其性质的多变性和稀有性极大地限制了其应用。而洛阳誉芯金刚石制备的CVD金刚石膜将这些优异的物理化学性能集一身，且成本较天然金刚石低，能够制备各种几何形状，在电子、光学、机械等工业领域有广泛的应用前景。