麻省理工學(xué)院的研究人員和同事們將一種由原子級(jí)薄碳層組成的“神奇”材料變成了三種有用的電子設(shè)備，這是一項(xiàng)值得由 JK Rowling 構(gòu)想的實(shí)驗(yàn)室的壯舉。通常，此類設(shè)備是量子電子行業(yè)的關(guān)鍵，它們是使用需要多個(gè)制造步驟的各種材料制成的。MIT 方法會(huì)自動(dòng)解決與那些更復(fù)雜的過程相關(guān)的各種問題。

結(jié)果，這項(xiàng)工作可以為包括量子計(jì)算在內(nèi)的應(yīng)用引入新一代的量子電子設(shè)備。此外，這些器件可以是超導(dǎo)的，或者可以無電阻地導(dǎo)電。然而，他們通過一種非常規(guī)的機(jī)制來做到這一點(diǎn)，通過進(jìn)一步的研究，可以為超導(dǎo)物理學(xué)提供新的見解。研究人員在 2021 年 5 月 3 日的《自然納米技術(shù)》雜志上報(bào)告了他們的結(jié)果。

“在這項(xiàng)工作中，我們已經(jīng)證明魔角石墨烯是所有超導(dǎo)材料中用途最廣的，使我們能夠在單個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多種量子電子設(shè)備。使用這個(gè)先進(jìn)的平臺(tái)，我們已經(jīng)能夠首次探索新的超導(dǎo)物理學(xué)只出現(xiàn)在二維中，”麻省理工學(xué)院塞西爾和艾達(dá)·格林物理學(xué)教授、該工作的負(fù)責(zé)人 Pablo Jarillo-Herrero 說。Jarillo-Herrero 還隸屬于麻省理工學(xué)院的材料研究實(shí)驗(yàn)室。

魔角

新的“神奇”材料基于石墨烯。石墨烯由單層碳原子組成，呈六邊形排列，類似于蜂窩結(jié)構(gòu)。大約 17 年前才被發(fā)現(xiàn)，它具有一系列驚人的特性。例如，它比鉆石更堅(jiān)固、透明、有彈性。它也很容易導(dǎo)熱和導(dǎo)電。

2018 年，Jarillo-Herrero 小組做出了一項(xiàng)驚人的發(fā)現(xiàn)，涉及兩層石墨烯，一層疊在另一層之上。然而，這些層并不完全重疊。而是以1.1度的“魔角”稍微旋轉(zhuǎn)了一個(gè)。

由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)允許石墨烯成為超導(dǎo)體或絕緣體(防止電流流動(dòng))，這取決于系統(tǒng)中由電場(chǎng)提供的電子數(shù)量。從本質(zhì)上講，該團(tuán)隊(duì)能夠通過在轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕時(shí)改變電壓來將石墨烯調(diào)整為完全不同的狀態(tài)。

整體“神奇”材料，正式名稱為魔角扭曲雙層石墨烯(MATBG)，引起了研究界的濃厚興趣，甚至激發(fā)了一個(gè)新領(lǐng)域(扭電子學(xué))。這也是當(dāng)前工作的核心。

2018 年，Jarillo-Herrero 和同事改變了通過單個(gè)電極或金屬門提供給魔法材料的電壓。在當(dāng)前的工作中，“我們引入了多個(gè)門，使材料的不同區(qū)域受到不同的電場(chǎng)影響，”物理學(xué)研究生、《自然納米技術(shù)》論文的主要作者 Daniel Rodan-Legrain 說。

突然之間，該團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⑼荒Хú牧系牟煌糠终{(diào)整為多種電子狀態(tài)，從超導(dǎo)到絕緣再到介于兩者之間。然后，通過應(yīng)用不同配置的門，他們能夠復(fù)制通常用完全不同的材料創(chuàng)建的電子電路的所有部分。

Daniel Rodan-Legrain 舉起在 Nature Nanotechnology 中描述的研究中使用的芯片載體。他站在一個(gè)與工作中使用的類似的稀釋冰箱旁邊。圖片來源：麻省理工學(xué)院 Bharath Kannan

工作裝置

最終，該團(tuán)隊(duì)使用這種方法創(chuàng)建了三種不同的工作量子電子設(shè)備。這些設(shè)備包括約瑟夫森結(jié)或超導(dǎo)開關(guān)。約瑟夫森結(jié)是超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)背后的量子位或量子位的構(gòu)建塊。它們還有多種其他應(yīng)用，例如集成到可以對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行非常精確測(cè)量的設(shè)備中。

該團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)造了兩個(gè)相關(guān)設(shè)備：光譜隧道設(shè)備和單電子晶體管，或者是一種用于控制電流運(yùn)動(dòng)的非常敏感的設(shè)備，實(shí)際上一次一個(gè)電子。前者是研究超導(dǎo)性的關(guān)鍵，而后者具有多種應(yīng)用，部分原因是它對(duì)電場(chǎng)極其敏感。

所有這三種設(shè)備都受益于由單一的電可調(diào)材料制成。那些以傳統(tǒng)方式由多種材料制成的產(chǎn)品面臨著各種挑戰(zhàn)。例如，不同的材料可能不兼容。“現(xiàn)在，如果你只處理一種材料，這些問題就會(huì)消失，”Rodan-Legrain 說。

未參與該研究的麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授威廉奧利弗說：

“ MATBG具有非凡的特性，可以通過向附近的門施加電壓來確定其電氣特性(金屬，超導(dǎo)，絕緣等)。在這項(xiàng)工作中，Rodan-Legrain等人已經(jīng)證明，它們可以使相當(dāng)復(fù)雜。通過單個(gè) MATBG 薄片的電門控，包括超導(dǎo)、正常和絕緣區(qū)域的器件。傳統(tǒng)方法是使用不同材料分幾個(gè)步驟制造器件。使用 MATBG，通過簡(jiǎn)單地改變柵極電壓，可以完全重新配置所產(chǎn)生的器件.”

走向未來

Nature Nanotechnology 論文中描述的工作為許多潛在的未來進(jìn)步鋪平了道路。Rodan-Legrain說，例如，它可以用于由單一材料創(chuàng)建第一個(gè)電壓可調(diào)量子比特，可以在未來的量子計(jì)算機(jī)中應(yīng)用。

此外，由于新系統(tǒng)能夠?qū)?MATBG 中神秘的超導(dǎo)性進(jìn)行更詳細(xì)的研究，并且相對(duì)容易使用，因此該團(tuán)隊(duì)希望它能夠深入了解高溫超導(dǎo)體的形成。目前的超導(dǎo)體只能在非常低的溫度下工作。“這實(shí)際上是[在我們的魔法材料背后] 的一大希望，”羅丹-勒格萊恩說。“我們可以將其用作羅塞塔石碑”以更好地了解其高溫表親嗎?

Rodan-Legrain 簡(jiǎn)要介紹了科學(xué)是如何運(yùn)作的，他描述了團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行研究時(shí)遇到的驚喜。例如，實(shí)驗(yàn)中的一些數(shù)據(jù)與團(tuán)隊(duì)的最初期望不符。那是因?yàn)樗麄兪褂迷蛹?jí)薄 MATGB 創(chuàng)建的約瑟夫森結(jié)是二維的，因此與他們的 3D 傳統(tǒng)對(duì)應(yīng)物有明顯不同的行為。“讓數(shù)據(jù)通過，看到它們，對(duì)它們感到困惑，然后進(jìn)一步理解和理解我們所看到的，真是太棒了。”

除了 Jarillo-Herrero 和 Rodan-Legrain，該論文的其他作者是 MIT 材料研究實(shí)驗(yàn)室 (MRL) 的博士后研究員 Yuan Cao;Jeong Min Park，化學(xué)系研究生;Sergio C. de la Barrera，MRL 博士后助理;Mallika T. Randeria，物理系 Pappalardo 博士后研究員;以及國立材料科學(xué)研究所的 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi。(Rodan-Legrain、曹和樸是這篇論文的同等貢獻(xiàn)者。)