金刚石解锁超导新形态，可造多功能量子芯片

金刚石极具科研与产业价值，其优势并非璀璨外观，而是超高硬度、优异导热性、宽光谱透光性等一系列出众特性。二十年前，科学家又发现它的另一重特质：在特定条件下，金刚石能够转变为超导体，电流可在其中零损耗传输。

长久以来，人类始终未能厘清其超导内在机理，这也限制了它在高端技术领域的应用落地。

近期，由阿贡国家实验室牵头，宾夕法尼亚州立大学、芝加哥大学普利兹克分子工程学院，以及美国能源部国家量子信息科学研究中心Q-NEXT的科研团队，通过制备高品质金刚石材料、剥离杂质信号干扰，揭开了这一现象长期未解的底层物理机制。

该项研究成果已发表于《美国国家科学院院刊》，为研发单片集成多功能量子芯片提供可行技术方案。该技术有望提升量子设备运行效率，助力量子技术与传统电子技术融合发展。

量子比特是量子技术的基础单元，不同类型量子比特性能特性各不相同。目前，各类量子体系难以兼容互通，倘若能在金刚石这类导热性佳、适用性广的半导体材料中实现多种量子特性共存，将具备深远的技术价值。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院量子科学、工程与物理学冠名教授、芝加哥量子交换中心负责人David Awschalom表示：“融合超导与半导体双重特性，为打造多功能量子器件开辟了全新研发思路。未来有望研发出单一材质器件，同时兼具光学、自旋、超导与磁学特性，并且能够兼容现有微电子设备。借助原子级精密加工深入剖析材料物理本质，打通不同学科领域的技术壁垒，蕴藏着巨大的发展潜力。”

工作原理

金刚石实现超导需要掺入硼原子。掺杂指向基底材料中引入异种原子，以此调控导电性等物理属性。

研究团队依托宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室设备，制备出硼原子无规则掺杂的高纯度金刚石薄膜。科研人员意外发现，无序分布的硼原子间存在隐性有序结构，材料内部形成一块块超导区域，区域相互连通后便可实现零电阻导电，该现象被命名为颗粒状超导。

这类超导区域大概率由硼原子聚集形成，即便薄膜微观结构均匀一致，依旧会呈现颗粒超导特征。同时，改变磁场、电流与温度参数，还可灵活调控超导区域的形态结构。

论文共同通讯作者、宾夕法尼亚州立大学物理与材料科学工程教授Nitin Samarth称：“项目研发研究生发现薄膜电学变化呈现特殊规律，唯有材料本征颗粒结构能够解释这一现象。晶体薄膜结构均匀却出现该特性，完全出乎团队预料，我们也由此着手探究颗粒特性的成因。”

掌握电子在超导区域内部及区域间的传输规律后，科研人员可优化工艺，使超导区域实现高效连通，大幅提升量子器件性能，拓宽设备工作温域。现阶段这类装置必须在极低温环境下运行，工作温度提升后，量子技术的应用门槛将随之降低，能耗表现也将进一步改善。

创新应用潜力

Awschalom认为，这项研究最具价值的前景，是有望实现多功能片上量子应用。量子通信、量子计算等不同量子技术，可集成在单颗金刚石芯片中协同工作。这得益于金刚石天然具备自旋光子界面，无需额外配套装置，即可实现光与物质的耦合交互。

当前量子产业正着力搭建本土金刚石供应链，这款一体化金刚石芯片平台，不仅能够提升芯片算力，还更易于适配现有传统高频电子设备。

相关应用目前仍处于构想阶段，但本次研究取得关键性突破。探明金刚石超导底层原理后，科研工作得以从现象观测，迈入主动设计调控阶段。

Samarth表示：“如今我们掌握了调控金刚石超导特性的可靠方法，可独立调整材料核心参数。通过改变硼掺杂浓度、晶体取向、机械应力与尺寸结构，我们不再局限于观测现象，能够针对性设计适配不同场景的金刚石超导体，无论是量子领域还是传统电子领域，都拥有广阔的创新空间。”