Учени от САЩ разгадаха тайната на свръхпроводимостта на диамантите – стъпка към дългоочаквания пробив в квантовата и хибридната електроника

Група учени от САЩ за първи път разкри механизма, чрез който диамантът преминава в състояние на свръхпроводимост. За тези свойства на скъпоценните камъни се знаеше отдавна, но подробностите около процеса оставаха неясни. Новите познания позволяват не просто да се наблюдава свръхпроводимостта на диаманта, а да му се придадат характеристики, които ще бъдат търсени в квантовите изчисления и хибридната електроника на бъдещето.

В работата са участвали изследователи от Университета на Пенсилвания, Чикагския университет PME и квантовия център Q-NEXT. Състоянието на свръхпроводимост при диамант беше постигнато в процеса на контролирано легиране с бор или HBDD (heavily boron-doped diamond), при който атомите на бора се въвеждаха в кристалната решетка на диаманта и превръщаха първоначално диелектричния материал първо в проводим, а при ниски температури – в свръхпроводящ. Освен вече известните предимства на диаманта за електрониката (твърдост, висока топлопроводимост, прозрачност за множество диапазони на светлината и наличие на дефекти с квантови свойства), придобиването на свръхпроводимост ще направи този материал революционен за квантовите и класическите изчисления.

В основата си проектът предвиждаше отглеждане на тънкослойни монокристални диамантени структури, легирани с бор. Слоевете бяха създадени чрез метода MPCVD — химическо отлагане във вакуум от плазма. Бяха изследвани образци с дебелина от 0,5 до 20 мкм, а ключовият образец имаше дебелина 0,5 мкм. Структурната хомогенност беше проверена чрез пространствена раманова спектроскопия, AFM и TEM, което позволи теорията да бъде потвърдена чрез наблюдение.

Свръхпроводимостта на диаманта се оказа гранулирана, но не поради структурата на кристала, а поради физичните свойства на неговата електронна структура. В пробата, която външно изглеждаше като хомогенен кристал измерванията показаха своеобразна мозайка от свръхпроводящи „островчета“, вградени в кристала. За да преминат в състояние на свръхпроводимост, „островчетата“ трябва да се съединят в един транспортен път за електрони. Очевидно това може да се овладее, да се управлява и да се създаде диамант с пълна свръхпроводимост. Като лостове за въздействие върху процеса могат да бъдат температурата, магнетизмът, токовете и дори светлината, което ще позволи да се постигне разнообразие от свойства на диаманта.

По този начин в легирания диамант може да се управлява свръхпроводяща „мозайка“ чрез концентрацията на бор и набор от управляващи механизми. Това открива възможност за създаване в една диамантена структура на кубити с различни физични свойства, както и на елементи от обикновената електроника. С други думи, диамантът в свръхпроводящо състояние може да се превърне както в интерфейс между кубитите и класическите компютри, така и в свързващо звено между системи с различен тип кубити. Това е пътят към многофункционални квантови чипове на една диамантена платформа, което ще промени квантовите и обичайните изчисления.