Naukowcy opracowali przełomową technikę, która umożliwia bezpośrednie łączenie diamentów z materiałami kompatybilnymi zarówno z elektroniką kwantową, jak i konwencjonalną.
Projektując niewielkie defekty w strukturze diamentu, stworzyli metodę integrowania tych diamentów w urządzenia bez konieczności stosowania materiałów sypkich, torując drogę postępowi w obliczenia kwantowe i technologie wykrywania.
Unikalne właściwości syntetycznego diamentu
Diament syntetyczny to materiał bardzo trwały, sztywny i przewodzący ciepło, co czyni go idealnym kandydatem zarówno do elektroniki kwantowej, jak i konwencjonalnej. Jest stabilny chemicznie i ma doskonałe właściwości do tych zastosowań. Istnieje jednak poważne wyzwanie: diamenty mogą rosnąć tylko na innych diamentach.
Ta cecha, znana jako homoepitaksja, oznacza, że integrowanie diamentów w technologiach takich jak komputery kwantowe, czujniki, telefony komórkowe i inne urządzenia wymaga albo poświęcenia całego ich potencjału, albo polegania na dużych, drogich kawałkach diamentu.
„Diament wyróżnia się właściwościami materiałowymi, zarówno w elektronice – dzięki szerokiej przerwie wzbronionej, najlepszej przewodności cieplnej i wyjątkowej wytrzymałości dielektrycznej – jak i w przypadku technologii kwantowych – posiada centra wakatów azotowych, które stanowią złoty standard w wykrywaniu kwantowym na poziomie temperaturze pokojowej” – powiedział doc. Szkoła Inżynierii Molekularnej UChicago Pritzker School of Molecular Engineering (PME). Profesor Alex High. „Ale jako platforma jest naprawdę okropna”.
Postępy w integracji diamentów
W artykule opublikowanym 10 października br Komunikacja przyrodnicza z High Lab PME w UChicago i Argonne National Laboratory rozwiązało główną przeszkodę stojącą przed badaczami pracującymi z diamentami, tworząc nowatorski sposób łączenia diamentów bezpośrednio z materiałami, które łatwo integrują się z elektroniką kwantową lub konwencjonalną.
„Poddajemy obróbce powierzchniowej podłoża diamentowe i nośne, dzięki czemu stają się one dla siebie bardzo atrakcyjne. A zapewniając nieskazitelną chropowatość powierzchni, dwie bardzo płaskie powierzchnie zostaną ze sobą połączone” – powiedział pierwszy autor Xinghan Guo, który wiosną obronił doktorat w UChicago PME. „Proces wyżarzania wzmacnia wiązanie i czyni je naprawdę mocnym. Dlatego nasz diament może przetrwać różne procesy nanofabrykacji. To odróżnia nasz proces od prostego umieszczania diamentu na innym materiale.
Dzięki tej technice zespół bezpośrednio połączył diament z materiałami, w tym krzemem, topioną krzemionką, szafirem, tlenkiem termicznym i niobinianem litu, bez substancji pośredniej działającej jak „klej”.
Zamiast diamentów o grubości kilkuset mikronów, zwykle stosowanych do badania kubitów kwantowych, zespół połączył membrany krystaliczne o grubości zaledwie 100 nanometrów przy jednoczesnym zachowaniu spójności spinu odpowiedniej do zaawansowanych zastosowań kwantowych.
„Ta nowa technika może znacząco wpłynąć na sposób, w jaki wykonujemy produkcję kwantową, a nawet telefonów i komputerów”.
Studentka IV roku Avery Linder, współautorka pracy
Zastosowania kwantowe i inżynieria defektów
W przeciwieństwie do jubilerów, badacze kwantowi wolą diamenty z niewielkimi wadami. Przez precyzyjne defekty inżynieryjne w sieci krystalicznejbadacze tworzą trwałe kubity, idealne do obliczeń kwantowych, wykrywania kwantowego i innych zastosowań.
„Diament jest materiałem o szerokiej przerwie energetycznej. To jest obojętne. W efekcie zachowuje się bardzo dobrze i ma świetne właściwości termiczne i elektroniczne” – powiedział współautor artykułu F. Joseph Heremans, który współpracował z UChicago PME i Argonne. „Jego surowe właściwości fizyczne odznaczają się wieloma cechami, które są korzystne w wielu różnych dziedzinach. Do tej pory integracja z różnymi materiałami była po prostu bardzo trudna.”
Ponieważ jednak cienkie membrany diamentowe były wcześniej trudne do bezpośredniego zintegrowania z urządzeniami, wymagało to większych – ale wciąż mikroskopijnych – kawałków materiału. Współautorka artykułu, Avery Linder, studentka czwartego roku inżynierii na UChicago, porównała budowanie czułych urządzeń kwantowych z tych diamentów do próby zrobienia pojedynczej kanapki z grillowanym serem z całego bloku sera cheddar.
UChicago PME Ast. Prof. Peter Maurer, współautor artykułu, zajmuje się biodetekcją kwantową, wykorzystując rewolucyjne techniki kwantowe do uzyskiwania lepszych i dokładniejszych pomiarów działania podstawowych procesów biologicznych w mikro- i mikro- i nanoskala.
„Chociaż pokonaliśmy wiele wyzwań związanych z łączeniem nienaruszonych celów biologicznych z czujnikami kwantowymi opartymi na diamentach, ich integracja z rzeczywistymi urządzeniami pomiarowymi, takimi jak komercyjny mikroskop czy urządzenie diagnostyczne, bez utraty wydajności odczytu, pozostaje wyjątkowym wyzwaniem”. – powiedział Maurer. „Ta nowa praca z klejeniem membran diamentowych, którą kierował laboratorium Alexa, rozwiązała wiele z tych problemów i przybliżyła nas do zastosowań.”
Rewolucja w technologiach kwantowych
W diamentach każdy węgiel atom dzieli elektrony z czterema innymi atomami węgla. Te wiązania dzielące elektrony, zwane wiązaniami kowalencyjnymi, tworzą twardą i trwałą strukturę wewnętrzną klejnotu.
Jeśli jednak w pobliżu nie ma innego atomu węgla, który mógłby dzielić elektrony, tworzy się tak zwane „wiszące wiązania” na samotnych atomach szukających partnera. Stworzenie powierzchni diamentu pełnej tych wiszących wiązań umożliwiło zespołowi połączenie płytek diamentowych w skali nanometrowej bezpośrednio z innymi powierzchniami.
„Można o nim niemal pomyśleć jak o lepkiej powierzchni, ponieważ chce się przyczepić do czegoś innego” – powiedział Linder. „Zasadniczo stworzyliśmy lepkie powierzchnie i połączyliśmy je razem”.
Naukowcy opatentowali ten proces i komercjalizują go za pośrednictwem Uniwersytet w ChicagoPolskie Centrum Przedsiębiorczości i Innowacji.
„Ta nowa technika może znacząco wpłynąć na sposób, w jaki produkujemy kwantowo, a nawet produkcję telefonów i komputerów” – powiedział Linder.
High porównuje nową technikę diamentową do postępu w dziedzinie tlenków metali uzupełniających półprzewodniki (CMOS) na przestrzeni lat, od nieporęcznych pojedynczych tranzystorów w laboratoriach w latach czterdziestych XX wieku po potężne, małe układy scalone wypełniające dzisiejsze komputery i telefony.
„Mamy nadzieję, że nasza zdolność do generowania tych cienkich warstw i integrowania ich w skalowalny sposób może doprowadzić do rewolucji na wzór technologii CMOS w technologiach kwantowych opartych na diamentach” – powiedział.
Odniesienie: „Bezpośrednio wiązane membrany diamentowe do heterogenicznych technologii kwantowych i elektronicznych” autorstwa Xinghan Guo, Mouzhe Xie, Anchita Addhya, Avery Linder, Uri Zvi, Stella Wang, Xiaofei Yu, Tanvi D. Deshmukh, Yuzi Liu, Ian N. Hammock, Zixi Li, Clayton T. DeVault, Amy Butcher, Aaron P. Esser-Kahn, David D. Awschalom, Nazar Delegan, Peter C. Maurer, F. Joseph Heremans i Alexander A. High, 10 października 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-53150-3
Finansowanie: Praca ta była wspierana przez Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, Narodowe Centra Badań nad Informacją Kwantową w ramach projektu Centrum Q-NEXT. Prace związane z klejeniem membran są poparte nagrodą NSF AM-2240399.
