世界上最小钻石收音机-氮-空缺中心量子特性

2019-08-01 16:54:31admin来源:未知

广告的力量是强大的。当初大诗人屈先生含冤跳江，才换得中华民族端午节吃粽子的习俗，而酱油公司只不过做做广告，就可以让台湾民众每年中秋相揪烤肉。然而，和钻石的行销手段相比，烤肉酱乃小巫见大巫。在钻石商不屈不挠的洗脑下，钻石俨然成为真爱的最佳代表物，准备钻戒也变成大多数人求婚时的必要开销。

钻石被建立起这种形象也不是没有道理，这种由碳元素正八面晶体所构成的物质，由于碳原子间的共价键强，没有自由电子且晶格排列整齐，因此硬度高、不导电、耐高温、不易产生化学反应又能透光；换成文艺一点的说法，就是坚不可摧、持久永恆且晶莹剔透，跟真正的爱情一点也不一样，所以能成为理想爱情的表徵。

除了供人观赏之外，钻石亦有工业应用的价值，用作工业切割是最基本款的功能。因具有优异的热传导率、杨氏模数及光折射率，钻石做为声学、光学或散热材料也相当有潜力。甚至，基础科学也把钻石视为做研究的目标。

当晶体结构中周期性的排列规律被打破时，我们称之为晶格缺陷。钻石晶体中，有种缺陷称做「氮-空缺中心」(Nitrogen-vacancy center)，係用一个氮原子取代碳，再把另一个相邻的碳原子移除而形成。因氮原子较碳原子多出一个价电子，当「氮-空缺中心」处于带负电荷的状态时，在缺陷处会形成一双电子对。一般而言，量子系统需在低温环境下才能显性与维持，易受热干扰而被破坏；但处于「氮-空缺中心」中的电子对，受到钻石晶格的保护，在常温下，还能保持量子特性。

N-V- center(Credit:Materialscientist, on Wiki, CC 3.0 )

哈佛大学的科学家和戴比尔斯钻石公司(De Beers)的研究团队，利用「氮-空缺中心」的量子特性，作出号称世界最小的收音机。某个程度来说，这个称号是理所当然的，因为氮-空缺中心也就两个原子那么大。

「氮-空缺中心」当中的电子对，可维持其自旋状态一段时间。钻石收音机运作的原理为是这样的：当这对电子的自旋方向相反时，他们所处的能态较低，而自旋方向相同时，则会处于较高的能态。这两个能态的能量差距，若换算为电磁波的频率，刚好落在无线电波的波段，因此能做为无线电的感测器。

事实上，这台收音机没有那么小，它还需要外接一台雷射、一个光感器及一个扬声器。当雷射照射氮-空缺中心的电子对时，电子被激发后再放出萤光；此时若接收到频率正确的无线电波，萤光强度就会随无线电波的频率而变化。所以频率调变(FM)的无线电讯号可被转为萤光强度讯号，再利用光感器将光强转为电压，就可由扬声器转为音频。

你可以在youtube上，欣赏钻石收音机转播的歌曲。老实说，音质没有很好。不过研究人员还是很骄傲的，他们表示，因为钻石的稳定性，这台世界最小的收音机在极严苛的环境下仍能运作，比如说在350°C的高温中；也因为钻石稳定，不会有奇怪的化学反应，此收音机也可以植入生物的体内。(可是为何要这么做啊？)

「因为缺了一角，不能滚得很快，所以会停下来跟小虫閒谈，或闻一闻花香，这样的时光，令他愉快。」希尔弗斯坦在图文书”失落的一角”中，阐述著「缺陷」的美好。在「氮-空缺中心」的研究上，我们也看到钻石因为有了晶格的缺陷，而展现出深邃而与众不同的气质。

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