未來的量子計算機,可能是彈力鑽石做的?

2021-01-21 Carbontech

香港城市大學帶領的團隊成功找到了能將鑽石應用於微電子、光電和量子信息器件的證據：一種直徑只有人類頭髮百分之一的鑽石，在室溫下可達到最大均勻拉伸應變 9.7%。

圖片來源：Evie S. on Unsplash

鑽石（金剛石）

或許即將擁有新的代表意義

在珠寶商眼被鑽石閃亮的外表所吸引，而工程師們看中的卻是其他特性：高度導電和導熱性。通過實驗室製備的可拉伸的鑽石，研究人員希望能夠加強金剛石的特定性質，以便製備下一代電子元件，如未來的量子計算機晶片。這項突破性的新研究於 1 月 1 日發表在《科學》（Science）雜誌上。

替代材料

一直以來，工程學家們都希望能找到一種優於矽的材料，以制出更小、運行更快且有效性更高的晶片。而在這個問題上，金剛石材料是工程學家們的「珠穆朗瑪峰」：理論上非常美好，但實現難度極高。

橫亙在工程師們面前的阻礙，一是如何克服材料的晶體結構局限，二是提升材料的「優值（figure-of-merit）」，即描述材料是否適宜製作電子元件的性質指標。

該研究的共同作者，美國麻省理工學院（MIT）材料科學及工程學教授李巨表示，材料的電子能帶隙（bandgap）是半導體裡的一個重要特性。「帶隙是判斷材料的物理性質如何隨彈力應變而改變的重要指標。」寬帶隙的材料可製備高功率或高頻的器件。

李巨團隊希望探究的問題是，在不損害材料的前提下，如果對金剛石材料施加較大的晶格應變（lattice strain），是否能夠提升材料的優值。不過，由於塊體金剛石的極高硬度和脆性，長期以來，研究者們都認為這一做法不可行。

在這項新研究中，團隊首先對高質量單晶金剛石進行微加工，製備了微型單晶金剛石橋樣品。該團隊在電子顯微鏡下對這些微型單晶金剛石進行拉伸應變測試，觀察在不同的應力下，金剛石的晶體結構是如何改變的。研究團隊實現了樣本整體均勻彈性拉伸應變達 7.5%，且在卸載後回復到原來形狀。實驗觀測到的最大拉伸應變為 9.7%，團隊表示，這與金剛石材料能夠達到的理想彈性極限已十分接近。

而團隊發現，當拉伸應變增加時，金剛石帶隙會隨之減少。此外，當順著另一特定晶向的應變超過 9% 時，帶隙會由「間接帶隙（indirect bandgap）」變為「直接帶隙」。在直接帶隙中，電子可直接躍遷並釋放光子，不涉及動量的改變，具備這樣性質的材料有應用於光電元件、甚至量子元件的潛力。

未來前景

儘管將這種彈性金剛石材料用於製作電子元件似乎還很遙遠，團隊認為，他們的研究結果或許將推進金剛石元件走向市場。

「金剛石是製備高頻率、大功率電子器件的理想候選材料，還有應用至新型光電技術及量子信息技術的無限潛能。」 李巨說道。

未來的量子計算機或許將使用金剛石製成的晶片，這樣的材料革新將提高計算機的熱導率，也或許能讓量子計算機在高於絕對零度的溫度下運行。研究共同作者，香港城市大學機械工程學系副教授陸洋博士表示︰「我相信，一個金剛石的新世代即將來臨。」

本文來源：環球科學

翻譯：李姍珊 編輯：戚譯引

參考連結

https://www.inverse.com/innovation/scientists-stretched-diamonds-for-better-computers

https://mp.weixin.qq.com/s/2c5krLT-KvZ6ygO1HNfxcw

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