系统集成

将“魔术”材料转换成多功能电子设备

在三个基于石墨烯的设备上工作可能会产生新的洞察超导和迎来新一代的量子电子设备。

伊丽莎白A。汤姆森 5月21日,2021年
礼貌:Bharath Kannan,麻省理工学院

麻省理工学院研究人员已经将由原子薄层组成的“魔法”材料转化为三个有用的电子设备。通常,这种装置,Quantum电子行业的所有关键是使用需要多种制造步骤的各种材料来创建。麻省理工学院方法解决了与那些更复杂的过程相关的各种问题。

因此,这项工作可能会为包括量子计算在内的应用带来新一代量子电子设备。此外,这些装置可以是超导的,或者在没有电阻的情况下导电。然而,他们是通过一种非传统的机制来实现这一点的,通过进一步的研究,这种机制可能会给超导物理学带来新的见解。

“在这项工作中,我们已经证明了魔法角图石墨烯是所有超导材料的最通用,允许我们在单个系统中实现多个量子电子设备。使用这种先进的平台,我们已经能够探索只出现在两个维度上首次小说超导物理学“,巴勃罗Jarillo - 赫雷罗,塞西尔和麻省理工学院物理学井田格林教授和工作的负责人说。Jarillo-Herrero也隶属于麻省理工学院的材料研究实验室。

神奇的角度

“魔法”材料基于石墨烯.,单层碳原子排列在类似蜂窝结构的六边形中。由于2004年第一次明确明确的石墨烯分离,因此由于其独特的特性,本材料的兴趣飙升。例如,它比钻石,透明和灵活强。它还容易进行热量和电力。

2018年,Jarillo-Herrero集团制作了一个发现涉及两层石墨烯,一个放在另一层上。然而,这些层并不完全彼此之上;相反,一个人以1.1度的“魔法角度”略微旋转。

由此产生的结构使石墨烯既可以成为超导体,也可以成为绝缘体(防止电流流动),这取决于电场提供的系统中的电子数量。从本质上讲,该团队能够通过改变旋钮上的电压,将石墨烯调整到完全不同的状态。

整体“魔法”材料,正式被称为魔法角扭曲双层石墨烯(MATBG),在研究界产生了强烈的兴趣,甚至鼓励称为扭曲的新领域。它也在当前工作的核心。

2018年,Jarillo Herrero及其同事改变了通过单电极或金属栅极向神奇材料提供的电压。物理学研究生丹尼尔·罗丹·勒格兰(Daniel Rodan Legrain)说,在目前的工作中,“我们引入了多个栅极,使材料的不同区域受到不同电场的影响。”。

该团队能够将同一种神奇材料的不同部分调整成大量的电子态,从超导态到绝缘态,再到介于两者之间的某种状态。然后,通过在不同的结构中应用门,他们能够复制电子电路的所有部分,而这些部分通常是用完全不同的材料创建的。

工作设备

最终,该团队使用这种方法来创建三种不同的工作量子电子设备。这些设备包括Josephson结或超导开关。Josephson结是超导量子计算机背后的量子位或Qubits的构建块。它们还具有各种其他应用,例如将其结合到能够做出非常精确测量磁场的装置中。

该团队还创造了两个相关的设备:一个是光谱隧道装置,一个是单电子晶体管。单电子晶体管是一种非常灵敏的控制电运动的设备,实际上是一次控制一个电子。前者是研究超导性的关键,而后者有各种各样的应用,部分是因为它对电场的极端敏感性。

这三种设备都得益于由一种电可调材料制成。那些传统的,由多种材料制成的,面临着各种挑战。例如,不同的材料可能不相容。“现在,如果你只处理一种材料,那些问题就会消失,”Rodan-Legrain说。

威廉奥利弗在没有参与该研究的电气工程和计算机科学系中的麻省理工学院副教授说:“Matbg拥有其电气性能 - 金属,超导,绝缘等的显着财产 - 可以通过将电压施加到附近的栅极。在这项工作中,Rodan-Legrain等。已经表明,它们可以制造相当复杂的装置,包括通过电气门控的超导,正常和绝缘区域进行一片MATBG。传统方法是使用不同材料制造在几个步骤中的装置。通过MATBG,通过简单地改变栅极电压,所得到的设备完全可重新配置。“

对未来

这项工作为许多潜在的未来进展铺平了道路。例如,Rodan-Legrain说,它可以用来从单一材料中创造出第一个电压可调的量子位元,这可以应用于未来的量子计算机。

此外,由于新系统能够对MATBG中的神秘超导性进行更详细的研究,并且相对容易使用,因此该团队希望它能够深入研究高温超导体的产生。目前的超导体只能在非常低的温度下工作。”这实际上是(我们的魔法材料背后)的一大希望,”罗丹·勒格兰说我们能把它作为罗塞塔石的一种来更好地了解它的高温近亲吗?”

麻省理工学院研究生丹尼尔·罗丹·勒格兰(Daniel Rodan Legrain)举起了一个芯片载体,该载体用于开发新型石墨烯电子设备。他站在一台与工作中使用的类似的稀释冰箱旁边。提供:麻省理工学院巴拉斯·坎南

麻省理工学院研究生丹尼尔·罗丹·勒格兰(Daniel Rodan Legrain)举起了一个芯片载体,该载体用于开发新型石墨烯电子设备。他站在一台与工作中使用的类似的稀释冰箱旁边。提供:麻省理工学院巴拉斯·坎南

为了了解科学是如何工作的,罗丹-勒格兰描述了团队在进行研究时遇到的惊喜。例如,一些实验数据与团队最初的预期不符。这是因为他们使用原子薄的MATGB创建的Josephson结是二维的,因此与传统的3D结有明显不同的行为。

“看到这些数据,看到它们,对它们感到困惑,然后进一步理解和理解我们所看到的,这很好。”

- Chris Vavra编辑,网页内容经理,控制工程, CFE Media and Technology,cvavra@cfemedia.com


伊丽莎白A.汤姆森
作者简介:伊丽莎白A.汤姆森,麻省理工学院材料研究实验室