鑽石恆久遠，能當收音機

文：董勁吾

廣告的力量是強大的。當初大詩人屈先生含冤跳江，才換得中華民族端午節吃粽子的習俗，而醬油公司只不過做做廣告，就可以讓台灣民眾每年中秋相揪烤肉。然而，和鑽石的行銷手段相比，烤肉醬乃小巫見大巫。在鑽石商不屈不撓的洗腦下，鑽石儼然成為真愛的最佳代表物，準備鑽戒也變成大多數人求婚時的必要開銷。

鑽石被建立起這種形象也不是沒有道理，這種由碳元素正八面晶體所構成的物質，由於碳原子間的共價鍵強，沒有自由電子且晶格排列整齊，因此硬度高、不導電、耐高溫、不易產生化學反應又能透光；換成文藝一點的說法，就是堅不可摧、持久永恆且晶瑩剔透，跟真正的愛情一點也不一樣，所以能成為理想愛情的表徵。

除了供人觀賞之外，鑽石亦有工業應用的價值，用作工業切割是最基本款的功能。因具有優異的熱傳導率、楊氏模數及光折射率，鑽石做為聲學、光學或散熱材料也相當有潛力。甚至，基礎科學也把鑽石視為做研究的目標。

當晶體結構中周期性的排列規律被打破時，我們稱之為晶格缺陷。鑽石晶體中，有種缺陷稱做「氮－空缺中心」（Nitrogen-vacancy center），係用一個氮原子取代碳，再把另一個相鄰的碳原子移除而形成。因氮原子較碳原子多出一個價電子，當「氮－空缺中心」處於帶負電荷的狀態時，在缺陷處會形成一雙電子對。一般而言，量子系統需在低溫環境下才能顯性與維持，易受熱干擾而被破壞；但處於「氮－空缺中心」中的電子對，受到鑽石晶格的保護，在常溫下，還能保持量子特性。　

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

哈佛大學的科學家和戴比爾斯鑽石公司（De Beers）的研究團隊，利用「氮－空缺中心」的量子特性，製作出號稱世界最小的收音機。某個程度來說，這個稱號是理所當然的，因為氮－空缺中心也就兩個原子那麼大。　　

「氮－空缺中心」當中的電子對，可維持其自旋狀態一段時間。鑽石收音機運作的原理為是這樣的：當這對電子的自旋方向相反時，他們所處的能態較低，而自旋方向相同時，則會處於較高的能態。這兩個能態的能量差距，若換算為電磁波的頻率，剛好落在無線電波的波段，因此能做為無線電的感測器。

事實上，這台收音機沒有那麼小，它還需要外接一台雷射、一個光感器及一個揚聲器。當雷射照射氮－空缺中心的電子對時，電子被激發後再放出螢光；此時若接收到頻率正確的無線電波，螢光強度就會隨無線電波的頻率而變化。所以頻率調變（FM）的無線電訊號可被轉為螢光強度訊號，再利用光感器將光強轉為電壓，就可由揚聲器轉為音頻。

你可以在YouTube上，欣賞鑽石收音機轉播的歌曲。老實說，音質沒有很好。不過研究人員還是很驕傲的，他們表示，因為鑽石的穩定性，這台世界最小的收音機在極嚴苛的環境下仍能運作，比如說在350°C的高溫中；也因為鑽石穩定，不會有奇怪的化學反應，此收音機也可以植入生物的體內。（可是為何要這麼做啊？）

「因為缺了一角，不能滾得很快，所以會停下來跟小蟲閒談，或聞一聞花香，這樣的時光，令他愉快。」希爾弗斯坦在圖文書《失落的一角》中，闡述著「缺陷」的美好。在「氮－空缺中心」的研究上，我們也看到鑽石因為有了晶格的缺陷，而展現出深邃而與眾不同的氣質。

參考資料：

1. Shao, Linbo, et al. "Diamond Radio Receiver: Nitrogen-Vacancy Centers as Fluorescent Transducers of Microwave Signals." Physical Review Applied 6.6 (2016): 064008.
2. “The world’s tiniest radio”, Leah Burrows（SEAS Communications）, Dec. 16,2016, HARVAD gazette.
3. A Diamond Radio Receiver（Yotube vedio）

本文經物理雙月刊授權刊登，原文刊載於此

責任編輯：朱家儀
核稿編輯：楊之瑜