Вчені розібралися з надпровідністю алмазу — це крок до довгоочікуваного прориву в квантовій та гібридній електроніці

Група вчених із США вперше з'ясувала механізм переходу алмаза в стан надпровідності. Про ці властивості дорогоцінних каменів було відомо давно, але деталі процесу залишалися нез'ясованими. Нові знання дозволяють не лише спостерігати за надпровідністю алмаза, а й надавати йому ті характеристики, які будуть затребувані в квантових обчисленнях і гібридній електроніці майбутнього.

Джерело зображення: ШІ-генерація Grok/3DNews

У роботі взяли участь дослідники з Університету Пенсильванії (Pennsylvania State University), Чиказького університету PME (University of Chicago PME) та квантового центру Q-NEXT. Стан надпровідності алмазом було досягнуто в процесі контрольованого легування бором або HBDD (heavily boron-doped diamond), в процесі якого атоми бору вводилися в кристалічну решітку алмаза і перетворювали початково діелектричний матеріал спочатку в провідний, а при низьких температурах — в надпровідний. Окрім вже відомих переваг алмаза для електроніки — твердості, високої теплопровідності, прозорості для багатьох діапазонів світла та наявності дефектів з квантовими властивостями, набуття ним надпровідності зробить цей матеріал революційним для квантових і класичних обчислень.

У своїй основі проект передбачав вирощування тонкоплівкових монокристалічних алмазних структур, легованих бором. Плівки створювалися методом MPCVD — хімічним осадженням у вакуумі з плазми. Досліджувалися зразки товщиною від 0,5 до 20 мкм, а ключовий зразок мав товщину 0,5 мкм. Структурну однорідність перевіряли просторовою раманівською спектроскопією, AFM і TEM, що дозволило підтвердити теорію спостереженням.

Надпровідність алмаза виявилася зернистою, але не через структуру кристала, а через фізичні властивості його електронної структури. У зразку, який зовні виглядав однорідним кристалом, вимірювання показали своєрідну мозаїку з надпровідних «лужиць» або островків, вбудованих у кристал. Для переходу в стан надпровідності «лужиці» повинні з'єднатися в один транспортний шлях для електронів. Очевидно, цим можна навчитися управляти і створити алмаз з повною надпровідністю. Як важелі впливу на процес можуть бути температура, магнетизм, струми і навіть світло, що дозволить досягти різноманітності властивостей алмаза.

Таким чином, в легованому алмазі можна управляти надпровідною «мозаїкою» за допомогою концентрації бору та набору керуючих механізмів. Подібне відкриває можливість створювати в єдиній алмазній структурі різні за фізичними властивостями кубіти, а також елементи звичайної електроніки. Інакше кажучи, алмаз у надпровідному стані може стати як інтерфейсом між кубітами і класичними комп'ютерами, так і зв'язуючим ланкою між системами з різним типом кубітів. Це шлях до багатофункціональних квантових чіпів на одній алмазній платформі, що здатне змінити квантові та звичайні обчислення.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки