未來的量子計算機,可能是彈力鑽石做的?|Science

2021-01-13 科研圈


圖片來源：Evie S. on Unsplash


翻譯 李姍珊

編輯 戚譯引


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。」 


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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【論文標題】Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond

【論文作者】 Chaoqun Dang, Jyh-Pin Chou, Bing Dai, Chang-Ti Chou, Yang Yang, Rong Fan, Weitong Lin, Fanling Meng, Alice Hu, Jiaqi Zhu, Jiecai Han, Andrew M. Minor, Ju Li, Yang Lu

【發表時間】2021 年 1 月 1 日

【發表期刊】Science

【論文編號】10.1126/science.abc4174

【論文連結】https://science.sciencemag.org/content/371/6524/76 

【論文摘要】Diamond is not only the hardest material in nature, but is also an extreme electronic material with an ultrawide bandgap, exceptional carrier mobilities, and thermal conductivity. Straining diamond can push such extreme figures of merit for device applications. We microfabricated single-crystalline diamond bridge structures with ~1 micrometer length by ~100 nanometer width and achieved sample-wide uniform elastic strains under uniaxial tensile loading along the [100], [101], and [111] directions at room temperature. We also demonstrated deep elastic straining of diamond microbridge arrays. The ultralarge, highly controllable elastic strains can fundamentally change the bulk band structures of diamond, including a substantial calculated bandgap reduction as much as ~2 electron volts. Our demonstration highlights the immense application potential of deep elastic strain engineering for photonics, electronics, and quantum information technologies.


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