最近的一篇研究论文通过开发一种新方法，直接将钻石与能够无缝集成量子和传统电子系统的材料结合，解决了科学家在钻石使用中面临的重大挑战。通过应用这项技术，团队成功地将钻石与各种材料（例如硅、熔融石英、蓝宝石、热氧化物和铌酸锂）结合，消除了中介“胶水”的需求。与通常用于量子比特研究的几百微米厚的块状钻石不同，他们结合了仅有100纳米厚的极薄晶体膜，同时保持了先进量子技术所需的足够自旋相干性。
合成钻石以其耐久性、化学稳定性、刚性、卓越的热导率和总体良好特点而闻名——使它成为量子和传统电子的优质材料。然而，存在一个挑战：钻石更喜欢仅与其他钻石结合。
这种偏好被称为同质外延，这意味着钻石只会在其他钻石表面上生长。因此，将钻石纳入量子或传统计算机、量子传感器、手机或其他技术通常会妥协钻石的性质，或需要使用大且昂贵的这一珍贵材料的块。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）的助理教授亚历克斯·海高表示：“在电子学中，钻石在材料特性方面无与伦比，具有宽带隙、卓越的热导率和出色的介电强度，并且在量子应用中，它包含被认为是室温量子传感的黄金标准的氮空位中心。”他补充说：“然而，作为一个平台，钻石的使用是相当具有挑战性的。”
高实验室与阿贡国家实验室在《自然通讯》上发表的论文找到了一种开创性的解决方案，通过引入一种新方法，使钻石能够直接与在量子和传统电子系统中表现良好的材料结合。
首席作者郭兴汉在芝加哥大学PME完成博士学位后解释道：“我们处理钻石及其支撑基底的表面，以增强它们之间的吸引力。通过确保表面的光滑度，这两个平坦的表面能够有效结合。”他说：“退火过程加强了结合，使其极为坚固。这个能力使我们的钻石能够耐受各种纳米制造操作，使我们的方法与仅仅将钻石置于其他材料之上有所不同。”
通过这种创新方法，团队直接将钻石与硅、熔融石英、蓝宝石、热氧化物和铌酸锂等材料结合，而无需中介的“胶水”。
团队能够结合仅100纳米厚的超薄晶体膜，而不是依赖于通常用于量子比特研究的大块钻石，同时保持了先进量子应用所需的足够自旋相干性。
完美缺陷
与珠宝商不同，量子研究人员更重视稍微不完美的钻石。通过故意在晶体结构中制造缺陷，研究人员可以创造出适用于量子计算、传感和其他用途的鲁棒性量子比特。
来自芝加哥大学PME和阿贡的共同作者F. Joseph Heremans指出：“钻石是一种宽带隙材料；它也是惰性的，这意味着它表现得极为出色，并具有优异的热和电子特性。它固有的物理性质在各个领域具有许多优势，但将其与不同材料集成却一直相当具有挑战性——直到现在。”
之前，利用薄钻石膜的困难限制了直接将其集成到设备中，需使用更大，尽管是微观的材料部分。共同作者Avery Linder，芝加哥大学工程系的四年级学生，将使用这些钻石构建敏感的量子设备比作试图用整块切达奶酪制作烤芝士三明治。
芝加哥大学PME的助理教授彼得·毛尔也是论文的共同作者，他专注于量子生物传感。他应用革命性的量子技术获得微观和纳米尺度上生物过程的增强和更精确的测量。
毛尔补充道：“虽然我们已经解决了将完整生物目标与基于钻石的量子传感器接口相关的各种挑战，但在不影响读出效率的情况下将其集成到操作测量设备中，如商用显微镜或诊断设备，仍然是一个重大障碍。”他说：“亚历克斯实验室的这一钻石膜结合的新进展解决了许多这些问题，使我们更接近于实际应用。”
粘性钻石
在钻石中，每个碳原子通过共享电子与四个邻近碳原子相连，形成被称为共价键的强键合，这赋予了钻石卓越的结构完整性。
然而，如果缺少附近的碳键，就会出现渔钩键，它们出现在渴望结合的孤立原子上。通过创建一个饱和了这些渔钩键的钻石表面，团队能够将纳米级的钻石晶片直接结合到其他表面。
林德表示：“你可以将其视为一个粘性表面，因为它渴望与其他东西结合。”他说：“实际上，我们正在创造这些‘粘性’表面并将它们结合在一起。”
研究人员已为这一过程获得专利，并正在通过芝加哥大学的Polsky创业与创新中心进行商业化。
林德表示：“这一突破性技术可能会显著改变我们在量子技术以及手机或计算机中的制造方法。”
海比将这一新的钻石技术与过去几十年中互补金属氧化物半导体（CMOS）的演变进行了比较，从20世纪40年代实验室中的笨重单个晶体管，演变到今天用于计算机和移动设备的强大微型集成电路。
他说：“我们希望我们生产这些超薄薄膜并以可扩展的方式将其集成的能力能够引发基于钻石的量子技术的CMOS风格革命。”
资金来源：这项研究得到了美国能源部科学办公室国家量子信息科学研究中心的支持，作为Q-NEXT中心的一部分。膜结合的工作得到了NSF奖AM-2240399的支持。
