Учёные разобрались со сверхпроводимостью алмаза — это шаг к долгожданному прорыву в квантовой и гибридной электронике

Группа учёных из США впервые выяснила механизм перехода алмаза в состояние сверхпроводимости. Об этих свойствах драгоценных камней было известно давно, но детали процесса оставались невыясненными. Новые знания позволяют не просто наблюдать за сверхпроводимостью алмаза, а придавать ему те характеристики, которые будут востребованы в квантовых вычислениях и гибридной электронике будущего.

В работе приняли участие исследователи из Университета Пенсильвании (Pennsylvania State University), Чикагского университета PME (University of Chicago PME) и квантового центра Q-NEXT. Состояние сверхпроводимости алмазом было достигнуто в процессе управляемого легирования бором или HBDD (heavily boron-doped diamond), в процессе которого атомы бора вводились в кристаллическую решётку алмаза и превращали исходно диэлектрический материал сначала в проводящий, а при низких температурах — в сверхпроводящий. Помимо уже известных преимуществ алмаза для электроники — твёрдости, высокой теплопроводности, прозрачности для множества диапазонов света и наличием дефектов с квантовыми свойствами, приобретение им сверхпроводимости сделает этот материал революционным для квантовых и классических вычислений.

В своей основе проект подразумевал выращивание тонкоплёночных монокристаллических алмазных структур легированных бором. Плёнки создавались методом MPCVD — химическим осаждением в вакууме из плазмы. Исследовались образцы толщиной от 0,5 до 20 мкм, а ключевой образец имел толщину 0,5 мкм. Структурную однородность проверяли пространственной рамановской спектроскопией, AFM и TEM, что позволило подтвердить теорию наблюдением.

Сверхпроводимость алмаза оказалась зернистой, но не из-за структуры кристалла, а из-за физических свойств его электронной структуры. В образце, который внешне выглядел однородным кристаллом, измерения показали своего рода мозаику из сверхпроводящих «лужиц» или островков, встроенных в кристалл. Для перехода в состояние сверхпроводимости «лужицы» должны соединиться в один транспортный путь для электронов. Очевидно, этим можно научиться управлять и создать алмаз с полной сверхпроводимостью. В качестве рычагов воздействия на процесс могут быть температура, магнетизм, токи и даже свет, что позволит добиться разнообразия свойств алмаза.

Тем самым в легированном алмазе можно управлять сверхпроводящей «мозаикой» с помощью концентрации бора и набора управляющих механизмов. Подобное открывает возможность создавать в единой алмазной структуре разные по физическим свойствам кубиты, а также элементы обычной электроники. Иначе говоря, алмаз в сверхпроводящем состоянии может стать как интерфейсом между кубитами и классическими компьютерами, так и связующим звеном между системамии с разным типом кубитов. Это путь к многофункциональным квантовым чипам на одной алмазной платформе, что способно будет изменить квантовые и обычные вычисления.