图1.示意图显示了硼掺杂金刚石中的“空穴”或电子缺陷形成。来源：拉米兹·祖尔卡奈

近年来，技术进步使制造出与天然钻石具有相似物理和化学特性的合成钻石成为可能。虽然合成钻石不被认为是“假的”或“仿的”，但它们通常比天然钻石更实惠，这使它们成为那些想要钻石之美而又不高成本的人的热门选择。合成钻石通常也更环保，因为它们不需要与天然钻石相同的开采和开采水平。

在原始状态下，金刚石是一种非导电材料，没有自由电子或可以促进导电的“空穴”（图 1）。然而，通过将硼原子引入金刚石晶格中，其光学和电学性质可以显着改变。随着硼浓度的增加，钻石的颜色从其特有的透明色调转变为微妙的蓝色，同时其导电性从绝缘体转变为半导体。

硼含量的进一步增加导致光泽的蓝色阴影，类似于金属表面的光泽，最终形成深乌木色。这种重硼掺杂的金刚石（BDD）也像一些金属一样导电，并且在低温下表现出超导性，允许无电阻导电。

超导金刚石因其与高温超导体的相似性而引起了极大的兴趣，即它们都是掺杂的绝缘体。直观地说，与掺杂绝缘体相比，人们会期望好的导体在建立超导性方面更有希望，而最好的导体，即金和银，根本不是超导体。

两个键合在一起并作为一个单元移动的电子，称为库珀对，必须与BDD薄膜内的许多晶界相互作用并穿过。因此，每个晶界就像电路中的薄弱环节。这产生了一系列奇特的量子现象，例如异常的超导各向异性和晶粒大小的依赖电传输。

图2.金刚石纳米环中的非常规巨型“磁电阻”。来源：张古飞

金刚石中的超导性或非常规的巨大“磁阻”

对各种材料中超导性的研究表明，为了使材料成为超导材料，它首先需要通过金属状态。一个长期存在的问题是，在已建立的金属中形成库珀对是否会不可避免地将主体材料转变为超导体。

由丹麦、英国、中国、日本和比利时的研究人员领导的一个国际科学家团队最近通过研究金刚石纳米环（超导BDD环）中的电传输来解决这个问题（图2）。

在他们发表在Advanced Materials上的研究中，他们发现在BDD超导转变温度以下，金刚石纳米环表现出突然的电阻增加而不是电阻下降，这表明金刚石纳米环从金属转变为玻色子半导体。

随着玻色子半导体跃迁，他们观察到一个巨大的负磁阻，与磁性多层中众所周知的巨磁阻（GMR）非常相似。与源自自旋依赖性散射的传统GMR相反，这种非常规的巨型负“磁阻”源于金刚石纳米环内库珀对的形成和捕获。这种奇特的量子现象的展示可能为新型超导量子器件的发展开辟新的范式。

更多信息：张古飞等人，玻色子半导体金刚石纳米环中的非常规巨型“磁阻”，先进材料（2023）。DOI： 10.1002/adma.202211129

期刊信息：先进材料