「設計された」超伝導ダイヤモンド:量子チップ多機能化への道を解明(‘Designer’ Superconducting Diamond: Researchers Uncover Path to Multimodality Quantum Chips)

2026-06-15 アルゴンヌ国立研究所(ANL)

米国のArgonne National Laboratoryを中心とする研究チームは、ホウ素を添加した超伝導ダイヤモンドの電子状態を詳細に解析し、その超伝導発現機構を解明した。研究では、高品質ダイヤモンド薄膜中の超伝導が均一に広がるのではなく、微小な超伝導領域がモザイク状に分布する「粒状超伝導」として現れることを発見した。これらの超伝導領域は磁場や温度、電流によって制御可能であり、材料特性を設計的に調整できる可能性が示された。さらに、ホウ素濃度や結晶方位、機械的ひずみ、薄膜構造などを制御することで、目的に応じた機能を持つ「デザイナー超伝導ダイヤモンド」の実現が可能になると提案した。ダイヤモンドは超伝導性に加え、光学特性やスピン量子状態との親和性にも優れるため、量子計算、量子通信、量子センシングなど複数の量子機能を単一基板上に統合するマルチモーダル量子チップの有望な材料と考えられる。本研究は、次世代量子デバイスの高機能化と集積化に向けた重要な基礎的知見を提供するものである。

<関連情報>

臨界ドープされた超伝導ダイヤモンド薄膜における異方性三相秩序の出現 Emergent anisotropic three-phase order in critically doped superconducting diamond films

Jyotirmay Dwivedi, Saurav Islam, Jake Morris, +9 , and Nitin Samarth
Proceedings of the National Academy of Sciences  Published:May 11, 2026
DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2607730123

Significance

In heavily boron doped diamond (HBDD), doping induced disorder can lead to inhomogeneity in the superconducting order parameter even in structurally homogeneous samples. We probe this intrinsically granular superconducting state in single crystalline homoepitaxial HBDD films using magnetotransport. Our measurements reveal a three-phase anisotropic order in this disordered superconductor, with distinct symmetries that can be controlled by temperature, magnetic field, and current direction. Understanding the emergence of this anisotropic transport in the superconducting phase of HBDD can lead us toward higher Tc in diamond.

「設計された」超伝導ダイヤモンド:量子チップ多機能化への道を解明(‘Designer’ Superconducting Diamond: Researchers Uncover Path to Multimodality Quantum Chips)

Abstract

Two decades since its discovery, superconducting heavily boron-doped diamond (HBDD) still poses fundamental questions that need to be answered to unlock its full potential for quantum applications. We use electrical magnetotransport measurements of critically doped homoepitaxial single crystal HBDD films to reveal signatures of intrinsically granular superconductivity. By studying the dependence of electrical resistivity on temperature and magnetic field vector, we infer that this granularity arises from doping induced disorder. We observe an unexpected three-phase anisotropy in the magnetoresistance, accompanied by a spontaneous transverse voltage (Hall anomaly). Our findings indicate the emergence of an anisotropic order in an otherwise isotropic single crystal HBDD film, offering insights into the mechanism of superconductivity in this quantum material.

0403電子応用
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