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未来量子计算机的材料可能是弹力钻石?

admin 人造钻石 2021年02月07日

  香港城市大学带领的团队成功找到了能将钻石应用于微电子、光电和量子信息器件的证据:一种直径只有人类头发百分之一的钻石,在室温下可达到最大均匀拉伸应变 9.7%。

  在珠宝商眼被钻石闪亮的外表所吸引,而工程师们看中的却是其他特性:高度导电和导热性。通过实验室制备的可拉伸的钻石,研究人员希望能够加强金刚石的特定性质,以便制备下一代电子元件,如未来的量子计算机芯片。这项突破性的新研究于 1 月 1 日发表在《科学》(Science)杂志上。

  一直以来,工程学家们都希望能找到一种优于硅的材料,以制出更小、运行更快且有效性更高的芯片。而在这个问题上,金刚石材料是工程学家们的“珠穆朗玛峰”:理论上非常美好,但实现难度极高。

  横亘在工程师们面前的阻碍,一是如何克服材料的晶体结构局限,二是提升材料的“优值(figure-of-merit)”,即描述材料是否适宜制作电子元件的性质指标。

  该研究的共同作者,美国麻省理工学院(MIT)材料科学及工程学教授李巨表示,材料的电子能带隙(bandgap)是半导体里的一个重要特性。“带隙是判断材料的物理性质如何随弹力应变而改变的重要指标。”宽带隙的材料可制备高功率或高频的器件。

  李巨团队希望探究的问题是,在不损害材料的前提下,如果对金刚石材料施加较大的晶格应变(lattice strain),是否能够提升材料的优值。不过,由于块体金刚石的极高硬度和脆性,长期以来,研究者们都认为这一做法不可行。

  在这项新研究中,团队首先对高质量单晶金刚石进行微加工,制备了微型单晶金刚石桥样品。该团队在电子显微镜下对这些微型单晶金刚石进行拉伸应变测试,观察在不同的应力下,金刚石的晶体结构是如何改变的。研究团队实现了样本整体均匀弹性拉伸应变达 7.5%,且在卸载后回复到原来形状。实验观测到的最大拉伸应变为 9.7%,团队表示,这与金刚石材料能够达到的理想弹性极限已十分接近。

  而团队发现,当拉伸应变增加时,金刚石带隙会随之减少。此外,当顺着另一特定晶向的应变超过 9% 时,带隙会由“间接带隙(indirect bandgap)”变为“直接带隙”。在直接带隙中,电子可直接跃迁并释放光子,不涉及动量的改变,具备这样性质的材料有应用于光电元件、甚至量子元件的潜力。

  尽管将这种弹性金刚石材料用于制作电子元件似乎还很遥远,团队认为,他们的研究结果或许将推进金刚石元件走向市场。

  “金刚石是制备高频率、大功率电子器件的理想候选材料,还有应用至新型光电技术及量子信息技术的无限潜能。” 李巨说道。

  未来的量子计算机或许将使用金刚石制成的芯片,这样的材料革新将提高计算机的热导率,也或许能让量子计算机在高于绝对零度的温度下运行。研究共同作者,香港城市大学机械工程学系副教授陆洋博士表示︰“我相信,一个金刚石的新世代即将来临。”


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