2026年5月22日 —— 钻石对于科技领域而言极为珍贵，并非因为其闪耀光泽，而是源于其超高的硬度、优异的热导率、对大部分光谱的透光性以及众多其他卓越特性。二十年前，科学家们发现了它的另一大优势：在合适条件下，钻石可以成为超导体——即允许电流以零电阻通过。

然而，直到最近，他们对其如何实现这一点仍知之甚少，这限制了它在高科技领域的应用。

现在，来自宾夕法尼亚州立大学、芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）以及由阿贡国家实验室领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心Q-NEXT的研究人员，通过精心制造高品质钻石、从材料噪声中分离出电子特征信号，揭示了长期以来隐藏的基本机制，从而获得了对该现象背后物理学原理的新认识。

这项研究近日发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上，为在同一量子芯片上实现多种功能提供了一条潜在的路线图——这项创新可能使量子技术更高效，并能更好地与传统技术集成。关键在于不同种类的量子比特（qubits）的能力，量子比特是量子技术的构建基础。目前，将具有不同量子比特的量子技术连接起来可能很困难，但如果能在单一材料中（尤其是像钻石这样热效率高且多功能的半导体）同时实现它们，可能会产生强大的影响。

UChicago PME的量子科学与工程及物理学Liew家族教授、芝加哥量子交易所主任David Awschalom表示：“这提供了一种新的思维方式，通过整合超导和半导体行为，为多功能量子设备创造机会。想象一下未来的技术，它结合了光、自旋、超导和磁性，并且所有这些都集成在一种还可以与当今微电子技术兼容的单一材料中。在这些名义上不同的科学领域之间的界面上，存在着巨大的潜力，通过精确的原子尺度工程对系统进行更深入的物理理解，可以开发这种潜力。”

工作原理

为了成为超导体，钻石必须“掺杂”硼原子。（掺杂是指将不同原子添加到宿主材料中以控制或改变某些性质，例如导电性的过程。）

在这项研究中，科学家们使用了宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室的设施，合成了掺杂有随机分布硼的极高品质钻石薄膜。令人惊讶的是，研究团队在这种无序分布的硼中发现了隐藏的秩序，表现为一种由超导“水坑”构成的马赛克图案，这些“水坑”最终必须连接起来才能允许电流无阻力地通过——他们将其描述为“颗粒状超导性”。这些水坑可能是由钻石内硼原子聚集形成的，然而，即使在微观上均匀的薄膜中，也发现超导性呈现出颗粒状。更重要的是，这种超导马赛克似乎是可以调节的，并且可以通过改变磁场、电流和温度来拉伸和扭曲。

宾夕法尼亚州立大学物理与材料科学与工程学Verne M. Willaman教授、该论文的共同通讯作者Nitin Samarth表示：“领导该项目的博士生发现了薄膜电学行为中的复杂模式，这只能通过固有的颗粒性来解释。这一偶然发现完全出乎我们的意料，因为这些是结构上均匀的晶体薄膜！所以，问题是：这种颗粒性从何而来？”

通过识别电子如何在这些超导水坑内部和之间移动，科学家们现在可以开始更有效地将这些超导水坑“缝合”在一起，这可能会显著提升未来量子设备的性能和温度范围。目前，这些系统需要极度冷却才能运行；提高这个温度将使量子技术更易获取且更节能。

新创新的潜力

Awschalom表示，这项研究最令人兴奋的影响之一，是多功能“量子芯片”应用的潜力，即多种不同类型的量子信息技术（如量子通信和量子计算）可以在单个钻石芯片上共存并协同工作。这是因为钻石具有内置的“自旋-光子界面”，意味着它能自然地将光与物质连接起来，而无需任何其他技术。

随着量子产业寻求开发国内钻石供应链，这种“一体化”钻石平台提供了一条途径，可以制造出不仅功能更强大，而且更易于与我们今天使用的传统高频电子设备集成的芯片。

这些应用目前还仅是可能性，但这研究迈出了关键一步：通过理解钻石中超导性背后的基本原理，研究人员现在可以超越简单的观察，开始主动进行工程设计。

Samarth说：“我们现在有了一条可靠的路线图，通过独立调整材料的核心特性来设计钻石超导体。通过调整硼掺杂密度、晶体取向、机械应变和维度等参数，我们可以超越简单的观察，开始为特定角色设计钻石超导体。这里有很多令人兴奋的可能性，无论是对于量子技术还是传统技术。”