2026年7月2日——宾夕法尼亚州大学园 — 钻石对科技极其宝贵，并非因为其璀璨的光泽，而是因其极高的硬度、导热能力、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，科学家发现了它的另一个优势：在适当条件下，钻石可以成为超导体——让电流以零电阻通过。

然而，直到最近，人们对这种现象发生的机制知之甚少，限制了它在高科技领域的应用。

如今，在一项发表于《美国国家科学院院刊》的研究中，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）以及美国能源部国家量子信息科学研究中心Q-NEXT（由阿贡国家实验室领导）的研究人员，揭示了对这一现象背后物理学的新见解。研究团队精心制备了高质量钻石，使其能够从背景材料噪声中分离出电子特征，揭示了长期隐藏的超导性基本机制。

“理解钻石超导性的基本原理，可以让我们从仅仅观察它，转向主动设计它，”宾夕法尼亚州立大学物理学与材料科学与工程学Verne M. Willaman讲席教授、该论文的共同通讯作者Nitin Samarth表示。

研究人员表示，这项研究为在单个量子芯片上实现多种功能提供了可能的路线图，这一创新可能使量子技术更高效，并更好地与经典技术集成。关键因素在于不同类型量子比特（量子技术的基本构建单元）的能力。目前，连接具有不同量子比特的量子技术可能很困难，而如果能在单一材料中（尤其是像钻石这样多功能且导热性能优良的半导体）同时实现它们，将产生深远的影响。

“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，”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Liew Family讲席教授、芝加哥量子交易所主任、该论文的共同通讯作者David Awschalom表示。“设想一项未来技术，能结合光、自旋、超导性和磁性，全部集成在一种可与当今微电子集成的材料中。在科学中这些名义上互不相关的领域之间的界面上，蕴藏着巨大潜力，可通过精确的原子级工程对系统进行更深入的物理理解来开发。”

原理

为了使钻石成为超导体，必须用硼原子进行“掺杂”。掺杂是一种在主体材料中添加不同原子以控制或改变某些性质（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备，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，研究团队发现，在这种无序的硼分布中，隐藏着超导“小池”镶嵌结构所形成的秩序。这些小池可能由钻石中硼原子团簇形成，最终连接起来使电流无阻力通过，他们将其描述为“颗粒超导性”。即使在微观均匀的薄膜中，超导性也被发现具有颗粒特性。更重要的是，研究人员表示，这种超导镶嵌结构似乎是可以调节的，并且可以通过改变磁场、电流和温度来拉伸和扭曲。

“领导该项目的博士生Jyotirmay Dwivedi发现了薄膜电学行为中的复杂模式，这些模式只能由内在颗粒性来解释，”Samarth说。“这一偶然发现让我们完全措手不及，因为这些薄膜在结构上是均匀的晶体薄膜！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小池内部及之间移动，科学家们现在可以开始更有效地“缝合”这些超导小池，这可能会显著提升未来量子设备的性能和温度范围。目前，这些系统需要极端冷却才能运行；提高这一温度将使量子技术更易于使用且更节能，研究人员说。

新创新的潜力

Awschalom表示，这项研究最令人兴奋的意义之一，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）可以共存并在单个钻石芯片上协同工作。这是因为钻石具有内置的“自旋-光子接口”，意味着它自然地连接光与物质，无需任何其他技术。

随着量子产业寻求发展国内钻石供应链，这种“一体式”钻石平台提供了一条路径，使芯片不仅更强大，而且更容易与当今使用的经典高频电子器件集成。

这些应用目前只是可能性，但研究团队表示，该研究已迈出了关键一步。

“我们现在拥有一个可靠的路线图，通过独立调节材料的核心属性来设计钻石超导体，”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，这里都有许多令人兴奋的可能性。”