2026年6月15日——钻石对科学和技术而言极其珍贵，并非因其璀璨光泽，而是源于其极端的硬度、高热导率、对大部分光谱的透明性以及一系列其他卓越特性。二十年前，科学家们又发现了它的另一个优势：在合适的条件下，钻石可以变成超导体——让电流以零电阻通过。

然而，直到最近，他们对这一过程如何发生的机理知之甚少，这限制了它在高科技领域的应用。

现在，来自美国能源部（DOE）阿贡国家实验室、宾夕法尼亚州立大学和芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）的研究人员，通过精心制造高质量钻石，将电子信号与材料噪声分离，揭示了长期隐藏的基本机制，从而获得了对这一现象背后物理学的新见解。该成果得到了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 的支持。

这项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究，为实现单个量子芯片上的多功能集成提供了一条潜在路线图——这项创新可能使量子技术更高效，并能更好地与经典技术集成。关键在于不同类型的量子比特的能力，量子比特是量子技术的基石。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，但如果在单一材料中实现它们，特别是在像钻石这样用途广泛且具有高热效率的半导体中，可能会产生深远的影响。

“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，”Q-NEXT 首席科学官、芝加哥大学普利兹克分子工程学院量子科学与工程及物理学教授、芝加哥量子交易所主任 David Awschalom 说。“想象一下未来的技术，它结合了光、自旋、超导和磁性，全部集成在一种可以与我们今天的微电子学整合的材料中。在这些名义上截然不同的科学领域之间的界面上，存在着巨大的潜力，通过对系统进行精确的原子级工程以获得更深入的理解，这种潜力可能得以开发。”

工作原理

为了变成超导体，钻石必须用硼原子进行“掺杂”。掺杂是一种向主体材料中添加不同原子以控制或改变某些性质（例如电导率）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一个设施，合成出掺杂有随机分布硼原子的极高品质钻石薄膜。令人惊讶的是，研究团队在这个无序的硼分布中发现了隐藏的有序结构，表现为一种由超导“微池”组成的镶嵌图案，这些微池最终必须连接起来才能使电流无电阻通过——他们将其描述为“颗粒超导电性”。这些微池可能是由于硼原子在钻石内聚集而形成的。然而，即使在微观上均匀的薄膜中，超导性也被发现是颗粒状的。更重要的是，这种超导镶嵌图案似乎是可调的，并且可以通过改变磁场、电流和温度来拉伸和扭曲。

“领导该项目的研究生发现了薄膜电行为中的复杂模式，这只能用固有的颗粒性来解释，”宾夕法尼亚州立大学物理学与材料科学与工程教授、该论文的通讯作者之一 Nitin Samarth 说。“这个偶然的发现完全出乎我们的意料，因为这些是结构均匀的晶体薄膜！所以问题在于：这种颗粒性从何而来？”

通过识别电子如何在这些超导微池内部和之间移动，科学家现在可以开始更有效地将这些超导微池“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，这些系统需要极端的冷却才能运行；提高工作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意义之一在于多功能“片上量子”应用的潜力，其中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。这得益于钻石内置的“自旋-光子界面”，意味着它无需任何其他技术就能自然地将光与物质连接起来。

随着量子产业寻求发展国内钻石供应链，这种“多合一”钻石平台为制造不仅性能更强大，而且更容易与我们今天使用的经典高频电子设备集成的芯片提供了路径。

这些应用目前只是可能性，但这项研究已经迈出了关键一步：通过理解钻石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，转而积极地对其进行工程化设计。

“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性质来工程化设计钻石超导体，”Samarth 说。“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。对于量子技术和经典技术来说，这里有无数令人兴奋的可能性。”

本材料基于美国能源部科学办公室国家量子信息科学研究中心作为 Q-NEXT 中心一部分提供支持的工作。

本文是芝加哥量子交易所最初发布文章的版本。