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奈米鑽石中的氮空位(nitrogen-vacancy, NV)缺陷非常適合應用於未來的量子科技，例如量子計算與奈米級感測等。然而，目前奈米鑽石大多含有高密度順磁性(paramagnetic)雜質，導致氮空位中心的電子自旋非常容易被破壞，自旋方向最多僅能維持數微秒，所以無法用於實際的量子資訊儲存。最近，美國研究人員使用新式遮罩及離子蝕刻製程製作出高純度奈米鑽石，具有創紀錄(>200 μs)的自旋同調時間(spin coherence time)。
所謂的氮空位缺陷發生於鑽石內兩相鄰碳原子分別被氮原子及空缺取代時。具此缺陷的奈米鑽石因為無毒、具光穩定性(photostable)且能輕易注入活細胞內，可作為理想的生物探針。氮空位缺陷同時可用來偵測來自於電子或核子自旋的微弱磁場，因此能作為高靈敏磁共振探針，在數十奈米的距離內偵測局部自旋變化。一般磁共振生物成像技術需數百萬個自旋才能測得訊號，氮空位缺陷則能以奈米級空間解析度測得單一自旋。
然而，一般高壓高溫製程成長之奈米鑽石具有高密度順磁性雜質(即為氮)，導致氮空位缺陷中的自旋同調時間過短。最近，麻省理工學院(MIT)的Dirk Englund等人發展出一套「由大作小」(top-down)的製作技術，利用自組裝多孔性金屬光罩與反應式離子蝕刻生產極高純度的奈米微晶。這種微晶的氮空位缺陷能維持其自旋態達210 μs，並具有破紀錄的磁場靈敏度(290 nT Hz–1/2)，可製作直徑僅50 nm的磁探針。氮空位缺陷亦可在光電結構中作為單光子源或固態量子位元(qubit)，而且它可能不像過去氮空位缺陷形成的量子位元那麼脆弱，儲存的量子資訊不會很快為環境噪訊所破壞。
在製作過程中，研究人員首先沉積金屬遮罩層(金與鈀)於高純度鑽石基板上，這些遮罩層會自組裝形成大小數十奈米的小滴狀，接著再氧離子刻蝕未受遮蔽的鑽石區域，以機械方式取下受遮蔽的區塊即形成最後的奈米微晶，因此上述方法能一次量產數十億計的氮空位缺陷。
該研究團隊包含美國哥倫比亞大學(Columbia)、紐約市立學院以及紐約州立大學阿爾巴尼分校(Albany)。他們目前計畫將此奈米微晶應用於實際感測上，例如偵測體內的神經動作電位(neural action potential)或活細胞內的磁蛋白。他們也計畫將奈米鑽石置入光電網路中，以有效整合光電與自旋量子位元。詳見Nano Lett. ｜DOI: 10.1021/nl402799u。 |