未来的量子计算机,可能是弹力钻石做的?|Science_量子计算机

admin2周前 (01-12)资讯12

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%。

图片来源:Evie S. on Unsplash

翻译 李姗珊

编辑 戚译引

钻石(金刚石)或许即将拥有新的代表意义。

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。

替代材料

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。

未来前景

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。”

参考链接

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

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

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论文信息

【论文标题】Achieving large uniform tensile elasticity in microfabricated diamond

【论文作者】 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

【发表时间】2021 年 1 月 1 日

【发表期刊】Science

【论文编号】10.1126/science.abc4174

【论文链接】https://science.sciencemag.org/content/371/6524/76

【论文摘要】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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