高難度魔角石墨烯設計,同一片材料上絕緣與超導相隔僅百奈米

作者 | 發布日期 2021 年 05 月 09 日 16:20 | 分類 尖端科技 , 材料 , 材料、設備 Telegram share ! follow us in feedly


石墨烯越來越奇怪了。瑞士蘇黎世聯邦理工學院科學家最近成功透過施加電壓方法,在同一片石墨烯材料的不同位置上,「同時」表現出局部超導和局部絕緣特性。

石墨烯是一種僅單原子厚度的碳層,也是目前世上最薄但最堅硬且電阻率最小的奈米材料。科學家還發現,如果將兩層石墨烯以特殊角度錯位相疊,材料的電子就會表現出與普通石墨烯不同的行為,比如 2018 年時,麻省理工學院團隊展示了當以 1.1 度「魔角」堆疊、接著額外添加電子向材料施加電壓後,石墨烯可以瞬間從電子流不動的絕緣體變成電子流動無阻礙的超導體。

並且在之後另項研究中,研究人員發現如果堆疊越多層,該效果會更明顯,只不過時至今日,全世界只有少數幾個團隊能生產這種樣品。

現在,瑞士蘇黎世聯邦理工學院團隊似乎展現了更高難度的技術。在以 1.06 度魔角堆疊兩層石墨烯後,研究人員於材料上不同區域施加不同電壓,結果竟然將石墨烯材料某個點變成絕緣體,但相距幾百奈米外變成了超導體。

▲ 根據電子顯微鏡圖像(經假色處理),研究人員在 2 個超導區域間(暗金色)形成了僅 100 奈米厚的絕緣層(亮金色)。

看到這現象後,研究團隊立刻進一步嘗試在材料內部產生約瑟夫森接合點(Josephson junction)——由 2 個互相微弱連接的超導體組成,而這個微弱結構被薄晶圓絕緣層隔開,電流無法直接在 2 個超導體之間流動,僅少數電流透過怪異的量子隧穿效應流過絕緣子。

通常這種結需使用多種不同材料製成,但研究團隊成功在石墨烯薄層上製造了約瑟夫森接合點。

研究人員 Fokko de Vries 表示,可以藉此打造更複雜的設備,比如 2 個約瑟夫森接合點連接形成一個環的超導量子干涉儀(SQUID),這種設備應用包括用來測量微小磁場或是量子電腦。在量子電腦中,可以利用它在單個設備實現不同種類的量子位元(qubit)。

新論文發表在《自然奈米科技》(Nature Nanotechnology)期刊。

(首圖來源:蘇黎世聯邦理工學院

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