Diament syntetyczny to trwały, obojętny, sztywny, przewodzący ciepło i dobrze zachowujący się chemicznie – elitarny materiał zarówno w elektronice kwantowej, jak i konwencjonalnej. Ale jest jeden problem. Diament lubi tylko diament.
Jest homoepitaksjalny, co oznacza, że rośnie tylko na innych diamentach, a zintegrowanie diamentu z komputerami kwantowymi lub konwencjonalnymi, czujnikami kwantowymi, telefonami komórkowymi lub innymi urządzeniami oznaczałoby poświęcenie pełnego potencjału diamentu lub wykorzystanie dużych, drogich kawałków cennego materiału.
„Diament wyróżnia się właściwościami materiałowymi, zarówno w elektronice – z szeroką przerwą wzbronioną, najlepszą przewodnością cieplną i wyjątkową wytrzymałością dielektryczną – jak i w dziedzinie technologii kwantowych – znajdują się w nim centra wolnych przestrzeni azotowych, które stanowią złoty standard dla wykrywania kwantowego w temperaturze pokojowej” – powiedział doc. Szkoła Inżynierii Molekularnej UChicago Pritzker School of Molecular Engineering (PME). Profesor Alex High. „Ale jako platforma jest naprawdę okropna”.
Artykuł opublikowany niedawno w 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 powierzchnię diamentu i podłoża nośnego, dzięki czemu stają się one bardzo atrakcyjne względem siebie. Dzięki zapewnieniu nieskazitelnej chropowatości powierzchni obie bardzo płaskie powierzchnie zostaną ze sobą połączone” – powiedział pierwszy autor Xinghan Guo, który zarobił wiosną obronił doktorat na 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.
Doskonałe wady
W przeciwieństwie do jubilerów, badacze kwantowi wolą diamenty z niewielkimi wadami. Precyzyjnie projektując defekty w sieci krystalicznej, badacze tworzą trwałe kubity, idealne do obliczeń kwantowych, wykrywania kwantowego i innych zastosowań.
„Diament jest materiałem o szerokim pasmie wzbronionym. Jest obojętny. W rezultacie jest bardzo dobrze zachowany i ma świetne właściwości termiczne i elektroniczne” – powiedział współautor artykułu F. Joseph Heremans, który miał podwójne spotkanie z UChicago PME i Argonne. „Jego surowe właściwości fizyczne wykazują wiele cech, które są korzystne w wielu różnych dziedzinach. Do tej pory bardzo trudno było zintegrować go z różnymi materiałami”.
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 nanoskali.
„Chociaż pokonaliśmy wiele wyzwań związanych z łączeniem nienaruszonych celów biologicznych z czujnikami kwantowymi na bazie diamentu, ich integracja z rzeczywistymi urządzeniami pomiarowymi, takimi jak komercyjny mikroskop lub urządzenie diagnostyczne, bez utraty wydajności odczytu, pozostaje wyjątkowym wyzwaniem”. – powiedział Maurer. „Ta nowa praca dotycząca łączenia membran diamentowych, którą kierował laboratorium Alexa, rozwiązała wiele z tych problemów i przybliżyła nas do zastosowań.”
Lepkie diamenty
W diamentach każdy atom węgla 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 proces i komercjalizują go za pośrednictwem Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation na Uniwersytecie w Chicago.
„Ta nowa technika może znacząco wpłynąć na sposoby, w jakie produkujemy kwantową, a nawet produkcję telefonów i komputerów” – powiedział Linder.
High porównuje nową technikę diamentową do postępu w dziedzinie półprzewodników z tlenkami metali (CMOS) na przestrzeni lat, od nieporęcznych pojedynczych tranzystorów w laboratoriach w latach czterdziestych XX wieku po potężne, maleńkie obwody scalone wypełniające dziś 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.
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 membrany są poparte nagrodą NSF AM-2240399.
