河北
钻石在科技领域极具价值，并非因为它闪亮好看，而是因为它极高的硬度、高热导率、对大部分光谱的透明性以及众多其他卓越特性。二十来年前，科学家发现了它的另一个好处：在适当条件下，钻石可以成为超导体——让电流以零电阻通过。
然而，直到最近，他们对它是怎么发生的还不太清楚，所以它在高科技领域用不起来。
现在，宾夕法尼亚州立大学、芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME），还有阿贡国家实验室带头的美国能源部量子信息科学研究中心Q-NEXT，这些地方的研究人员搞清楚了点新东西。他们精心做出高质量钻石，把电子信号从材料杂音里挑出来，终于发现了藏了很久的基本原理，对这一现象背后的物理学有了新的认识。
这项研究最近发表在《美国国家科学院院刊》上，为在单个量子芯片上实现多种功能给出了一条可能的路子——这么一来，量子技术可能更高效，也更容易跟传统技术搭配着用。
关键在于不同量子比特各自的本事，也就是量子技术的基本构件。眼下，要把各种量子比特的技术凑到一块儿挺费劲，但要是能让它们在同一种材料里共存，尤其是像钻石这种既导热又百搭的半导体，那潜力可就大了。
“这给我们打开了新思路，把超导和半导体的特性揉在一起，给多功能量子设备带来更多可能，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）量子科学与工程及物理学家族教授、芝加哥量子交易所主任大卫·奥沙洛姆（David Awschalom）表示。
“想象一下，未来有种技术能把光、自旋、超导和磁性全捏在一块儿，全装进一种材料里，还能跟现在的微电子设备对接。这些看似八竿子打不着的科学领域，交界处其实藏着巨大的潜力，只要通过精确到原子级别的工程，把系统的物理原理摸透了，就能把这些潜力挖出来。”
工作原理
想让钻石变成超导体，就得给它“掺”点硼原子。（所谓掺杂，就是往材料里加别的原子，来调控或改变它的某些特性，比如电导率。）
在这项研究中，科学家们利用宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室的设施，合成了掺杂有随机分布硼的金刚石薄膜。令人惊讶的是，研究团队在这种无序的硼分布中发现了一种隐藏的秩序，表现为超导“池”的马赛克状结构，这些“池”最终必须连接起来，才能让电流无阻力地流动——他们将其描述为“颗粒超导性”。
这些“池”可能是由于金刚石中硼原子的聚集而形成的；然而，即使在微观上均匀的薄膜中，超导性也被发现是颗粒状的。更重要的是，这种超导马赛克结构似乎是可调的，可以通过改变磁场、电流和温度来调整和变形。
“领导该项目的研究生发现了薄膜电学行为中的复杂模式，这些模式只能用内在颗粒性来解释，”宾夕法尼亚州立大学物理学与材料科学与工程学教授、该论文的共同通讯作者尼廷·萨马思表示。“这一偶然发现让我们完全没想到，因为这些是结构均匀的晶体薄膜！所以，问题在于：这种颗粒性从何而来？”
通过识别电子如何在这些超导“池”内和之间移动，科学家们现在可以开始更有效地将这些超导“池”连接起来，这可能会显著提升未来量子器件的性能和温度范围。目前，这些系统需要极端的冷却才能运行；提高这一温度将使量子技术更亲民、更省电。
新创新的潜力
Awschalom表示，这项研究最令人兴奋的意义之一在于多功能“芯片上的量子”应用的潜力。多种不同类型的量子信息技术（如量子通信和量子计算）能在单个钻石芯片上共存并协同工作。这得益于钻石内置的“自旋-光子界面”，这意味着它无需任何其他技术即可自然地将光与物质连接起来。
随着量子产业寻求发展国内钻石供应链，这种“一体化”钻石平台为芯片开辟了一条道路，使芯片不仅更强大，而且更容易与我们今天使用的经典高频电子设备集成。
这些应用目前仅是可能性，但这项研究已经迈出了关键一步：通过理解钻石中超导性背后的基本原理，研究人员现在可以超越简单的观察，转而主动设计工程化应用。
Samarth表示：“通过独立调整材料的核心属性，我们有了可靠的路线图来工程化钻石超导体。通过调节硼掺杂密度、晶体取向、机械应变和维度等参数，我们可以超越简单的观察，开始为特定用途设计钻石超导体。这里有许多令人兴奋的可能性，无论是对于量子技术还是经典技术。”
特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
