Синтетический алмаз прочен, инертен, тверд, теплопроводен и химически хорош — элитный материал как для квантовой, так и для обычной электроники. Но есть одна проблема. Алмаз любит только алмаз.
Он гомоэпитаксиальный, то есть растет только на других алмазах, и интеграция алмаза в квантовые или обычные компьютеры, квантовые датчики, мобильные телефоны или другие устройства означала бы пожертвование всем потенциалом алмаза или использование больших, дорогих кусков драгоценного материала.
«Алмаз стоит особняком с точки зрения свойств материала, как для электроники — с его широкой запрещенной зоной, наилучшей теплопроводностью и исключительной диэлектрической прочностью, — так и для квантовых технологий — он содержит азотные вакансионные центры, которые являются золотым стандартом для квантового зондирования при комнатной температуре», — сказал Алекс Хай из Чикагского университета. «Но как платформа он на самом деле довольно ужасен».
Недавно опубликованная в журнале Nature Communications статья, подготовленная Высшей лабораторией PME Чикагского университета и Аргоннской национальной лабораторией, решила главную проблему, с которой сталкивались исследователи, работающие с алмазами, создав новый способ непосредственного соединения алмазов с материалами, которые легко интегрируются как с квантовой, так и с традиционной электроникой.
«Мы проводим обработку поверхности алмаза и подложки-носителя, которая делает их очень привлекательными друг для друга. А гарантируя идеальную шероховатость поверхности, мы соединяем две очень плоские поверхности», — сказал соавтор исследования Синхан Го из Чикагского университета. «Процесс отжига усиливает связь и делает ее действительно прочной. Вот почему наш алмаз может выдерживать различные процессы нанопроизводства. Это отличает наш процесс от простого размещения алмаза поверх другого материала».
Используя эту технологию, команда напрямую связала алмаз с такими материалами, как кремний, плавленый кварц, сапфир, термический оксид и ниобат лития, без промежуточного вещества, выступающего в качестве «клея».
Вместо массивных алмазов толщиной в несколько сотен микрометров, которые обычно используются для изучения квантовых кубитов, команда связала кристаллические мембраны толщиной всего 100 нанометров, сохранив при этом спиновую когерентность, подходящую для современных квантовых приложений.
В отличие от ювелиров, квантовые исследователи предпочитают слегка дефектный алмаз. Точно проектируя дефекты в кристаллической решетке, исследователи создают прочные кубиты, идеально подходящие для квантовых вычислений, квантового зондирования и других приложений.
«Алмаз — широкозонный материал. Он инертен. По сути, он ведет себя очень хорошо и обладает прекрасными термическими и электронными свойствами», — сказал соавтор статьи Ф. Джозеф Хереманс, который имеет двойную должность в Чикагском институте физики и Аргонне. «Его исходные физические свойства имеют много особенностей, которые полезны для множества различных областей. До сих пор его было очень сложно интегрировать с разнородными материалами».
Однако, поскольку тонкие алмазные мембраны ранее было трудно интегрировать непосредственно в устройства, для этого требовались более крупные, но все еще микроскопические, куски материала. Соавтор статьи Эвери Линдер, студент четвертого курса инженерного факультета Чикагского университета, сравнил создание чувствительных квантовых устройств из этих алмазов с попыткой сделать один сэндвич с сыром на гриле из целого куска чеддера.
Соавтор статьи, доцент Чикагского университета Питер Маурер, работает в области квантового биосенсорного зондирования, используя революционные квантовые методы для получения более качественных и точных измерений работы фундаментальных биологических процессов в микро- и наномасштабах.
«Хотя мы преодолели множество проблем, связанных с сопряжением целых биологических мишеней с квантовыми датчиками на основе алмаза, их интеграция в реальные измерительные устройства, такие как коммерческий микроскоп или диагностическое устройство, без потери эффективности считывания данных, остается нерешенной задачей», — сказал Маурер. «Эта новая работа по склеиванию алмазных мембран, которую провела лаборатория Алекса, позволила обойти многие из этих проблем и приблизила нас на важный шаг к практическому применению».
В алмазах каждый атом углерода делит электроны с четырьмя другими атомами углерода. Эти связи обмена электронами, называемые ковалентными связями , создают твердую, прочную внутреннюю структуру драгоценного камня.
Но если поблизости нет другого атома углерода, который мог бы поделиться электронами, это создает то, что называется «болтающимися связями» на одиноких атомах, ищущих партнера. Создание алмазной поверхности, полной этих болтающихся связей, позволило команде связать алмазные пластины нанометрового масштаба непосредственно с другими поверхностями.
«Вы можете думать об этом почти как о липкой поверхности, потому что она хочет быть прикрепленной к чему-то еще», — сказал Линдер. «И поэтому, по сути, то, что мы сделали, — это создали липкие поверхности и соединили их вместе».
Исследователи запатентовали процесс и занимаются его коммерциализацией через Центр предпринимательства и инноваций имени Польского при Чикагском университете.
«Эта новая технология может существенно повлиять на то, как мы осуществляем квантовое производство и даже производство телефонов и компьютеров», — сказал Линдер.
Хай сравнивает новую алмазную технологию с достижениями в области комплементарных металлооксидных полупроводников (КМОП) за последние годы, от громоздких отдельных транзисторов в лабораториях в 1940-х годах до мощных миниатюрных интегральных схем, которыми сегодня заполняют компьютеры и телефоны.
«Мы надеемся, что наша способность создавать эти тонкие пленки и интегрировать их масштабируемым образом может привести к чему-то вроде революции в стиле КМОП для квантовых технологий на основе алмаза», — сказал он.
