Исследователи из США впервые раскрыли механизм, благодаря которому алмаз переходит в сверхпроводящее состояние. О том, что драгоценные камни обладают такими свойствами, было известно уже давно, однако конкретные детали процесса оставались загадкой. Полученные данные позволяют не просто фиксировать сверхпроводимость алмаза, а целенаправленно наделять его характеристиками, востребованными в квантовых вычислениях и гибридной электронике будущего.
Источник изображения: ИИ-генерация Grok/3DNews
К работе подключились специалисты из Университета Пенсильвании (Pennsylvania State University), Чикагского университета PME (University of Chicago PME) и квантового центра Q-NEXT. Сверхпроводящее состояние алмаза было получено в ходе контролируемого легирования бором (HBDD — heavily boron-doped diamond): атомы бора внедрялись в кристаллическую решётку алмаза, превращая изначально диэлектрический материал сначала в проводник, а при низких температурах — в сверхпроводник. Помимо уже известных преимуществ алмаза для электроники — прочности, высокой теплопроводности, прозрачности для многих диапазонов света и наличия дефектов с квантовыми свойствами, — обретение им сверхпроводимости сделает этот материал революционным как для квантовых, так и для классических вычислений.
В основе проекта лежало выращивание тонкоплёночных монокристаллических алмазных структур с борным легированием. Плёнки создавались методом MPCVD — химическим осаждением в вакууме из плазмы. Исследовались образцы толщиной от 0,5 до 20 мкм, при этом ключевой образец имел толщину 0,5 мкм. Структурную однородность проверяли с помощью пространственной рамановской спектроскопии, AFM и TEM, что позволило подтвердить теорию экспериментальными наблюдениями.
Сверхпроводимость алмаза оказалась зернистой, но причина кроется не в структуре кристалла, а в физических свойствах его электронной архитектуры. В образце, который внешне выглядел как однородный кристалл, измерения выявили своего рода мозаику из сверхпроводящих «лужиц» или островков, встроенных в кристалл. Чтобы перейти в сверхпроводящее состояние, эти «лужицы» должны соединиться в единый транспортный путь для электронов. Очевидно, этим процессом можно научиться управлять и создавать алмаз с полной сверхпроводимостью. В качестве рычагов воздействия могут выступать температура, магнитные поля, токи и даже свет, что позволит добиться разнообразия свойств алмаза.
Таким образом, в легированном алмазе появляется возможность управлять сверхпроводящей «мозаикой», регулируя концентрацию бора и используя различные управляющие механизмы. Это позволяет создавать в рамках одной алмазной структуры как кубиты с разными физическими свойствами, так и элементы традиционной электроники. Другими словами, сверхпроводящий алмаз может служить не только интерфейсом между кубитами и классическими компьютерами, но и связующим звеном между системами с различными типами кубитов. Такой подход открывает путь к созданию многофункциональных квантовых чипов на единой алмазной платформе, что способно кардинально изменить как квантовые, так и обычные вычисления.
