钻石的原子缺陷捕热研究将影响量子技术

在原子尺度上，钻石能以意想不到的方式短暂捕获热量，或将改变量子技术发展格局。

科学家通过多维相干光谱技术（2DIR）研究钻石原子缺陷时发现，钻石在原子尺度上能以出人意料的方式短暂捕获热量。这一发现或将影响科学家设计钻石基量子技术（包括超精密传感器和未来量子计算机）的思路。

华威大学研究团队在钻石的原子缺陷周围发现了"热点"，这一发现对钻石作为世界最佳导热体的固有认知提出了挑战。华威大学物理学教授詹姆斯·劳埃德-休斯解释称："在钻石的分子尺度缺陷中发现热基态令我们极为惊讶。钻石本是最佳导热体，理论上能量传递会阻止此类效应发生。但在纳米尺度上，部分声子（振动能量包）会在缺陷附近滞留，形成微小的热环境并对缺陷本身产生影响。"

研究团队聚焦钻石中一种氮原子取代碳原子并与氢键结合的特定原子缺陷（Ns:H-C0缺陷）。当用超快红外激光脉冲激发缺陷的碳氢键时，研究人员原本预期热量会立即消散到钻石晶格中。然而先进光谱技术揭示了奇特现象：缺陷会短暂进入"热基态"，这意味着周围晶体仍处于高温状态且缺陷本身发生改变。根据新闻稿，附近积聚的振动能量将缺陷的红外特征推向更高能量水平，该过程在几皮秒内达到峰值后衰减。

牛津大学物理学博士后研究员（前华威大学博士生）简基特博士表示："我们首次将该技术应用于钻石缺陷研究，直接观测到热基态形成超出了预期。这项创新方法取得的成果令人欣喜，我们期待用该技术探索更多可能性。"

团队还解释了钻石无法立即消除该能量的原因：缺陷通过产生特定高能量声子释放能量，这类振动无法长距离传播。这些声子移动缓慢且快速散射，在缺陷周围形成微小热泡，最终衰变为移动更快的载热振动。

华威大学物理学博士赵佳辉指出："瞬时局部加热效应至关重要，因为缺陷是微小而敏感的量子系统，环境的瞬时变化都可能影响其在量子技术中的稳定性、精确性和实用性。"

氮空位（NV）和硅空位（SiV）等钻石缺陷可作为敏感传感器和量子信息处理单元，其性能取决于自旋态的稳定性，而自旋态深受周围晶格振动影响。这项发表于《物理评论快报》的研究显示，用于控制缺陷的光学技术可能无意中产生短暂存在的微小热区，这些局部温度峰值会微妙干扰自旋态，可能影响钻石基量子器件的相干时间和整体性能。

研究证实当钻石中某些分子尺度缺陷被光激发时，会产生短暂存在的微小"热点"，瞬间扭曲周围晶体结构。这种畸变仅持续数万亿分之一秒，但已足以影响量子相关缺陷的行为。研究人员通过结合合成技术、超快振动光谱与第一性原理计算发现，激发缺陷的伸缩模式会导致局部声子产生并形成热基态，使原子间势发生瞬态改变。

研究团队总结称："我们的研究揭示了钻石在超高导热性条件下仍存在非平衡声子效应，这对量子缺陷工程具有重要意义。"

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