「量子ブレークスルー」のおかげで、超高速のダイヤモンドを使用したコンピューターチップが現実にさらに近づいた

科学者たちは、コンピューティング用の特別なダイヤモンドの成長に必要な温度と条件を大幅に下げ、より高速で効率的なコンピューティングチップをより現実的な提案にしました。

科学者たちは、実験室でダイヤモンドを成長させるのに必要な温度を下げ、プロセスを量子力学と融合させた後、シリコンベースのコンピューターチップへのダイヤモンドの統合に少しずつ近づいた。

ダイヤモンドはエレクトロニクス分野での使用に非常に望ましいものです。それは、それらの特殊な結晶格子構造により高電圧に耐えられる一方、導電性がないため信じられないほどよく熱を放散できるためです。しかし、ダイヤモンドを実験室で製造するには、コンピュータチップが製造時に耐えられる熱をはるかに超える非常に高い温度も必要となるため、チップ製造プロセスに簡単に統合することはできません。一方、熱を下げるとダイヤモンドの品質が犠牲になります。

ダイヤモンドにまつわる謎を解く

9 月 13 日にダイヤモンドおよび関連材料誌に掲載された研究では、科学者たちはダイヤモンドの成長に必要な熱を十分に低減し、標準的なシリコン製造プロセスにダイヤモンドを組み込むことができる方法を発見しました。この画期的な進歩は、より高速でエネルギー効率の高いダイヤモンドベースのコンピューターチップが、より現実的な提案であることを意味します。

「シリコンベースの製造にダイヤモンドを導入したいのであれば、低温でダイヤモンドを成長させる方法を見つける必要がある」と、研究主著者でプリンストンプラズマ物理研究所の計算研究員であるユーリ・バルスコフ氏は言う。（PPPL）と声明で述べた。「これはシリコン・マイクロエレクトロニクス産業に扉を開く可能性がある。」

関連: 新しいダイヤモンドトランジスタは世界初 — 最高温度での高速コンピューティングへの道を開く

ダイヤモンドは通常、「プラズマ化学蒸着」と呼ばれるプロセスで製造されます。このプロセスでは、気体状態のアセチレンの薄膜が固体状態で基板上に堆積されます。

これまでの実験では、アセチレンがダイヤモンドの成長に寄与する可能性があることが示されたが、同時にすすの成長も引き起こし、ダイヤモンドの表面に形成され、チップ、センサー、光学機器での利用を阻害すると研究チームは述べた。科学者たちはこれまで、アセチレンがすすやダイヤモンドになる要因を理解していませんでした。

バルスコフ氏は声明で「今、我々は答えを持っている」と述べた。「水から氷と同じように、ある相から別の相への転移には臨界温度が存在します。この臨界温度を超えると、アセチレンは主にダイヤモンドの成長に寄与します。この臨界温度を下回ると、主にすすの成長に寄与します。」

「臨界温度」はアセチレンの濃度とダイヤモンドの表面近くの原子状水素の存在に依存することを科学者らは発見した。水素原子はダイヤモンドの成長を直接促進するものではありませんが、はるかに低い温度であってもダイヤモンドの成長を促進するために重要です。

量子ダイヤモンドの保護

しかし、これは方程式の一部にすぎません。ダイヤモンド内の原子の結合方法は、ダイヤモンドを量子コンピューティング、安全な通信、高精度のセンシングに適しています。そこで、7 月 11 日にアドバンストマテリアルインターフェイス誌に掲載された研究では、複雑なエレクトロニクスに使用するためにダイヤモンドをさらに下処理する方法を検討しました。それは、炭素原子が除去され、隣接する原子が窒素に置き換わる「量子ダイヤモンド」表面を中心としており、科学者が「窒素空孔中心」と呼ぶものを作り出します。これらの複雑なダイヤモンドの表面は、窒素空孔中心を無傷に保ちながら保護する必要があると科学者らは研究で述べた。

PPPL の量子材料・デバイス部門責任者アラステア・ステイシー氏は声明で、「この物質中の電子は、より重い粒子のように古典物理法則に従って動作しない」と述べた。「代わりに、すべての電子と同様に、それらは量子物理学の法則に従って動作します。しかし、私たちは量子ビットを作ることでこれらの量子力学特性を利用することができる、と彼は付け加えました。量子ビットは量子コンピューティングにあります」 > 従来のコンピューティングのビット数に応じて、計算を並列処理できるようにします。

「量子ビットの利点は、通常のビットよりもはるかに多くの情報を保持できることです」とステイシー氏は言う。「これは、彼らが環境についてさらに多くの情報を私たちに提供できることを意味し、例えばセンサーとして非常に価値のあるものになります。」

科学者らは、表面下に何も変化を与えずに、量子ダイヤモンドの表面に均一に分布した単一の水素層を作成することを目指しました。 7月の研究では、損傷を与えることなく、より信頼性の高い方法でダイヤモンドの表面にその単一層を追加する技術を研究しました。

水素層は通常、ダイヤモンドを高熱下で水素プラズマにさらすことによって追加されますが、窒素空孔中心はこれらの条件に対処できません。その代わりに、科学者らは「フォーミングガスアニーリング」と「コールドプラズマターミネーション」という2つの代替方法を提案した。前者の技術は水素分子と窒素ガスの混合物を使用し、後者は水素プラズマを使用しますが、プラズマによるダイヤモンドの直接加熱を避けます。

どちらの技術も、電気を通すことができる水素化ダイヤモンドを作成しました。どちらの方法も完璧ではなかったが、窒素空孔中心への損傷を回避する点ではどちらも従来の方法よりもはるかに優れていたと研究者らは研究で述べた。彼らは、次のステップは、理想的な窒素空孔中心を備えた高品質の水素化ダイヤモンド表面を作成する新しい方法を探索することであると付け加えた。