2026年1月26日，诺丁汉大学研究团队通过3D打印技术开发出具有复杂表面纹理的新型结构，可有效排斥不需要的气体粒子、引导有用粒子定向运动，从而显著提升量子传感器在真空环境下的工作效率与测量精度。
这项研究由诺丁汉大学物理与天文学院L.
Hackermueller教授团队完成。研究人员通过精细设计3D打印表面纹理，使入射气体粒子在多次反弹过程中被优先引导离开关键区域，从而降低噪声粒子对量子测量的干扰。在实验中，这一技术被成功应用于表面真空泵，去除有害气体粒子的效率最高提升约三倍。
3D打印技术制造量子传感器表面
量子传感器依赖原子等微小量子体系来测量磁场、重力等物理量，精度远超传统技术，在医疗诊断、导航和基础科学研究等领域具有广阔前景。然而，这类传感器对环境极为敏感，必须在高真空条件下运行。即便在高度可控的真空系统中，少量杂散气体粒子仍可能进入传感区域并引入噪声，限制系统性能。
为解决这一问题，研究团队利用金属3D打印技术制造了由钛合金制成、体积约为冰球大小的模块化结构。这些结构表面包含六边形凹槽、锥形凸起等不同图案，旨在增加气体原子与表面的碰撞次数，并通过几何引导效应实现被动抽气。该系统可直接安装在商用真空腔体的标准接口中，便于集成。
论文第一作者、物理与天文学院研究员内Nathan Cooper表示：“我们仍在评估哪种表面纹理最为高效。目前看来，类似蜂窝的六边形结构以及源自几何艺术的复杂三维图案都非常有潜力。这是一种技术门槛相对较低的创新，但对先进量子技术的性能提升却非常显著。”
被动抽气效率最高提升10倍
实验结果显示，采用结构化表面的真空泵样品，它的单位面积抽气速率最高可达传统平滑表面的3.8倍。进一步的数值模拟表明，在可制造的前提下，某些优化后的表面图案有望将抽气性能提升至原来的十倍。
论文共同作者、博士生Ben Hopton补充道：“这项工作的亮点在于，简单的表面工程就能带来出乎意料的巨大改进。通过将部分抽气功能从主动泵转移到被动的表面结构上，此种方法有望减少甚至取消某些真空系统中体积庞大的机械泵，使量子技术设备更加紧凑和便携。”
总的来说，该项研究不仅展示了增材制造在高端物理实验设备中的独特优势，也为3D打印在真空工程、量子技术和精密仪器领域的进一步应用提供了新的思路。
来源：南极熊
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