未来的量子计算机，可能是弹力钻石做的？

香港城市大学带领的团队成功找到了能将钻石应用于微电子、光电和量子信息器件的证据：一种直径只有人类头发百分之一的钻石，在室温下可达到最大均匀拉伸应变 9.7%。

图片来源：Evie S. on Unsplash

翻译 李姗珊

编辑 戚译引

钻石（金刚石）或许即将拥有新的代表意义。

在珠宝商眼被钻石闪亮的外表所吸引，而工程师们看中的却是其他特性：高度导电和导热性。通过实验室制备的可拉伸的钻石，研究人员希望能够加强金刚石的特定性质，以便制备下一代电子元件，如未来的量子计算机芯片。这项突破性的新研究于 1 月 1 日发表在《科学》（Science）杂志上。

替代材料

一直以来，工程学家们都希望能找到一种优于硅的材料，以制出更小、运行更快且有效性更高的芯片。而在这个问题上，金刚石材料是工程学家们的“珠穆朗玛峰”：理论上非常美好，但实现难度极高。

横亘在工程师们面前的阻碍，一是如何克服材料的晶体结构局限，二是提升材料的“优值（figure-of-merit）”，即描述材料是否适宜制作电子元件的性质指标。

该研究的共同作者，美国麻省理工学院（MIT）材料科学及工程学教授李巨表示，材料的电子能带隙（bandgap）是半导体里的一个重要特性。“带隙是判断材料的物理性质如何随弹力应变而改变的重要指标。”宽带隙的材料可制备高功率或高频的器件。

李巨团队希望探究的问题是，在不损害材料的前提下，如果对金刚石材料施加较大的晶格应变（lattice strain），是否能够提升材料的优值。不过，由于块体金刚石的极高硬度和脆性，长期以来，研究者们都认为这一做法不可行。

在这项新研究中，团队首先对高质量单晶金刚石进行微加工，制备了微型单晶金刚石桥样品。该团队在电子显微镜下对这些微型单晶金刚石进行拉伸应变测试，观察在不同的应力下，金刚石的晶体结构是如何改变的。研究团队实现了样本整体均匀弹性拉伸应变达 7.5%，且在卸载后回复到原来形状。实验观测到的最大拉伸应变为 9.7%，团队表示，这与金刚石材料能够达到的理想弹性极限已十分接近。

而团队发现，当拉伸应变增加时，金刚石带隙会随之减少。此外，当顺着另一特定晶向的应变超过 9% 时，带隙会由“间接带隙（indirect bandgap）”变为“直接带隙”。在直接带隙中，电子可直接跃迁并释放光子，不涉及动量的改变，具备这样性质的材料有应用于光电元件、甚至量子元件的潜力。

未来前景

尽管将这种弹性金刚石材料用于制作电子元件似乎还很遥远，团队认为，他们的研究结果或许将推进金刚石元件走向市场。

“金刚石是制备高频率、大功率电子器件的理想候选材料，还有应用至新型光电技术及量子信息技术的无限潜能。” 李巨说道。

未来的量子计算机或许将使用金刚石制成的芯片，这样的材料革新将提高计算机的热导率，也或许能让量子计算机在高于绝对零度的温度下运行。研究共同作者，香港城市大学机械工程学系副教授陆洋博士表示︰“我相信，一个金刚石的新世代即将来临。” 

参考链接

https://www.inverse.com/innovation/scientists-stretched-diamonds-for-better-computers

https://mp.weixin.qq.com/s/2c5krLT-KvZ6ygO1HNfxcw

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