Исследователи из Массачусетского технологического института превратили "волшебный" материал, состоящий из атомарно тонких слоев углерода, в три полезных электронных устройства. Обычно такие устройства, которые являются ключевыми для индустрии квантовой электроники, создаются с использованием различных материалов, которые требуют нескольких этапов изготовления. Подход MIT автоматически решает множество проблем, связанных с этими более сложными процессами.
В результате эта работа может открыть новое поколение квантовых электронных устройств для многих сфер, включая квантовые вычисления. Кроме того, устройства могут быть сверхпроводящими или проводить электричество без сопротивления. Однако они делают это с помощью нетрадиционного механизма, который при дальнейшем изучении может дать новое понимание физики сверхпроводимости. Исследователи сообщили о своих результатах в свежем выпуске журнала Nature Nanotechnology.
Новый "волшебный" материал основан на графене, единственном слое атомов углерода, расположенных в шестиугольниках, напоминающих сотовую структуру. С момента первого однозначного выделения графена в 2004 году интерес к этому материалу резко возрос из-за его уникальных свойств. Например, он прочнее алмаза, прозрачен и эластичен. Также он легко проводит как тепло, так и электричество.
В 2018 году группа Харилло-Эрреро сделала потрясающее открытие, в котором использовались два слоя графена, один поверх другого. Однако эти слои не находились точно друг над другом: один был слегка повернут на 1,1 градуса.
Полученная структура позволяла графену быть либо сверхпроводником, либо изолятором (который предотвращает протекание электрического тока), в зависимости от количества электронов в системе, создаваемого электрическим полем. По сути, команда смогла настроить графен на совершенно разные состояния, изменив напряжение.
Новый материал, формально известный как двухслойный графен, скрученный под магическим углом (MATBG), вызвал большой интерес в исследовательском сообществе, даже вдохновив новое направление, известное как твистроника. Это также лежит в основе текущей работы.
В 2018 году группа исследователей изменила напряжение, подаваемое на магический материал через единственный электрод или металлический затвор. В текущей работе они использовали несколько затворов, чтобы подвергать различные области материала воздействию различных электрических полей.
Внезапно команда смогла настроить разные участки одного и того же магического материала на множество электронных состояний, от сверхпроводящего до изоляционного и где-то посередине. Затем, применяя вентили в различных конфигурациях, они смогли воспроизвести все части электронной схемы, которые обычно создавались бы из разных материалов.
В конечном итоге команда использовала этот подход для создания трех разных работающих квантовых электронных устройств. Эти устройства включают джозефсоновский переход или сверхпроводящий переключатель. Джозефсоновские переходы являются строительными блоками квантовых битов или кубитов сверхпроводящих квантовых компьютеров. У них также есть множество других применений, таких как включение в устройства, которые могут выполнять очень точные измерения магнитных полей.
Команда также создала два связанных устройства: устройство спектроскопического туннелирования и одноэлектронный транзистор или очень чувствительное устройство для управления движением электричества, буквально по одному электрону за раз. Первый является ключом к изучению сверхпроводимости, в то время как второй имеет множество приложений, отчасти из-за его чрезвычайной чувствительности к электрическим полям.
Преимущество всех трех устройств в том, что они сделаны из одного электрически настраиваемого материала. Те, которые сделаны традиционным способом из нескольких материалов, страдают от множества проблем. Например, разные материалы могут быть несовместимы.
Работа, описанная в статье Nature Nanotechnology, открывает путь для многих потенциальных будущих достижений. Например, материал можно использовать для создания первого кубита с перестраиваемым напряжением из одного материала, который можно будет использовать в будущих квантовых компьютерах.
Кроме того, поскольку новая система позволяет более детально изучать загадочную сверхпроводимость в MATBG и с ней относительно легко работать, команда надеется, что она сможет помочь в понимании создания высокотемпературных сверхпроводников. Современные сверхпроводники могут работать только при очень низких температурах.
