Et superledende kryds lavet af et enkelt 2D-materiale lover at udnytte mærkelig ny fysik

Fysikere på RIKEN har udviklet en elektronisk enhed, der er vært for usædvanlige stoftilstande, som en dag kan være nyttige til kvanteberegning.

Når et materiale eksisterer som et ultratyndt lag - blot et eller et par atomer tykt - har det helt andre egenskaber end tykkere prøver af det samme materiale. Det er fordi at begrænse elektroner til et 2D-plan giver anledning til eksotiske tilstande. På grund af deres flade dimensioner og deres brede kompatibilitet med eksisterende halvlederteknologier er sådanne 2D-materialer lovende til at udnytte nye fænomener i elektroniske enheder.

Disse tilstande omfatter quantum spin Hall isolatorer, som leder elektricitet langs deres kanter, men er elektrisk isolerende i deres indre. Sådanne systemer, når de er koblet med superledning, er blevet foreslået som en vej mod konstruktion af topologiske superledende tilstande, der har potentiel anvendelse i fremtidige topologiske kvantecomputere.

Nu har Michael Randle på RIKEN Advanced Device Laboratory sammen med kolleger fra RIKEN og Fujitsu skabt et 2D Josephson-kryds med aktive komponenter udelukkende af et materiale, der vides at være en quantum spin Hall-isolator. Værket er publiceret i tidsskriftet Advanced Materials .

En Josephson junction er generelt lavet ved at klemme et materiale mellem to elementære superledere. I modsætning hertil fremstillede Randle og teamet deres enhed af en enkelt krystal af monolag 2D wolframtellurid, som tidligere havde vist sig at udvise både en superledende tilstand og en kvantespin Hall-isolator.

"Vi fremstillede krydset udelukkende af monolag wolframtellurid," siger Randle. "Vi gjorde dette ved at udnytte dens evne til at blive tunet ind og ud af den superledende tilstand ved hjælp af elektrostatisk gating."

Holdet brugte tynde lag palladium til at forbinde til siderne af et wolframtelluridlag omgivet og beskyttet af bornitrid. De var i stand til at observere et interferensmønster, da de målte prøvens magnetiske respons, som er karakteristisk for en Josephson-forbindelse med 2D-superledende ledninger.

Mens denne undersøgelse giver en ramme for forståelse af kompleks superledning i 2D-systemer, er der behov for yderligere arbejde for klart at identificere den mere eksotiske fysik, systemerne lover. Udfordringen er, at wolframtellurid er vanskeligt at forarbejde til enheder på grund af den hurtige oxidation inden for få minutter fra dets overflade under omgivende forhold, hvilket kræver, at al fremstilling skal udføres i et inert miljø.

"Det næste trin involverer implementeringen af ​​ultraflade præmønstrede portstrukturer ved at bruge for eksempel kemisk-mekanisk polering," forklarer Randle. "Hvis dette opnås, håber vi at danne Josephson-kryds med præcist skræddersyede geometrier og at bruge vores banebrydende mikrobølgeresonator-eksperimentteknikker til at observere og undersøge den spændende topologiske karakter af enhederne."

Flere oplysninger: Michael D. Randle et al., Gate-Defined Josephson Weak-Links in Monolayer WTe2, Advanced Materials (2023). DOI:10.1002/adma.202301683

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af RIKEN