MIT forvandler magisk materiale til alsidige elektroniske enheder

I en bedrift, der er værdig til et laboratorium, udtænkt af J.K. Rowling, MIT forskere og kolleger har forvandlet et "magisk" materiale sammensat af atomisk tynde lag af kulstof til tre nyttige elektroniske enheder. Normalt, sådanne enheder, alt nøglen til kvanteelektronikindustrien, er skabt ved hjælp af en række materialer, der kræver flere fremstillingstrin. MIT-tilgangen løser automatisk en række problemer forbundet med de mere komplicerede processer.

Som resultat, arbejdet kunne indlede en ny generation af kvanteelektroniske enheder til applikationer, herunder kvanteberegning. Yderligere, enhederne kan være superledende, eller lede elektricitet uden modstand. Det gør de, imidlertid, gennem en ukonventionel mekanisme, der med videre studier, kunne give ny indsigt i superledningsfysikken. Forskerne rapporterer deres resultater i 3. maj. 2021 udgave af Natur nanoteknologi .

"I dette arbejde har vi vist, at magisk vinkelgrafen er det mest alsidige af alle superledende materialer, giver os mulighed for i et enkelt system at realisere et væld af kvanteelektroniske enheder. Ved at bruge denne avancerede platform, vi har for første gang været i stand til at udforske ny superledende fysik, der kun optræder i to dimensioner, " siger Pablo Jarillo-Herrero, Cecil og Ida Grønne professor i fysik ved MIT og leder af arbejdet. Jarillo-Herrero er også tilknyttet MIT's Materials Research Laboratory.

En magisk vinkel

Det nye "magiske" materiale er baseret på grafen. Grafen er sammensat af et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i sekskanter, der ligner en bikagestruktur. Først opdaget for omkring 17 år siden, det har en række fantastiske egenskaber. For eksempel, den er stærkere end diamant, gennemsigtig, og fleksibel. Den leder også nemt både varme og elektricitet.

I 2018 gjorde Jarillo-Herrero-gruppen en overraskende opdagelse, der involverede to lag grafen, den ene placeret oven på den anden. De lag, imidlertid, var ikke ligefrem oven på hinanden; hellere, den ene var let drejet i en "magisk vinkel" på 1,1 grader.

Den resulterende struktur gjorde det muligt for grafen at være enten en superleder eller en isolator (som forhindrer strømmen af ​​elektrisk strøm), afhængigt af antallet af elektroner i systemet som leveret af et elektrisk felt. I det væsentlige var holdet i stand til at indstille grafen til helt andre tilstande ved at ændre spændingen ved at dreje på en knap.

Det overordnede "magiske" materiale, formelt kendt som magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG), har skabt stor interesse i forskningsmiljøet, endda inspirere til et nyt felt (twistronics). Det er også kernen i det nuværende arbejde.

I 2018 ændrede Jarillo-Herrero og kolleger spændingen, der blev leveret til det magiske materiale via en enkelt elektrode, eller metalport. I det nuværende arbejde, "vi introducerede flere porte for at udsætte forskellige områder af materialet for forskellige elektriske felter, " siger Daniel Rodan-Legrain, en kandidatstuderende i fysik og hovedforfatter af Natur nanoteknologi papir.

Pludselig var holdet i stand til at tune forskellige sektioner af det samme magiske materiale til en overflod af elektroniske tilstande, fra superledende til isolering til et sted midt imellem. Derefter, ved at anvende porte i forskellige konfigurationer, de var i stand til at reproducere alle dele af et elektronisk kredsløb, der normalt ville blive skabt med helt andre materialer.

Arbejdsudstyr

I sidste ende brugte holdet denne tilgang til at skabe tre forskellige fungerende kvanteelektroniske enheder. Disse enheder inkluderer et Josephson-kryds, eller superledende kontakt. Josephson junctions er byggestenene i kvantebittene, eller qubits, bag superledende kvantecomputere. De har også en række andre applikationer, såsom inkorporering i enheder, der kan foretage meget præcise målinger af magnetiske felter.

Holdet skabte også to relaterede enheder:en spektroskopisk tunneling enhed og en enkelt-elektron transistor, eller en meget følsom enhed til at kontrollere bevægelsen af ​​elektricitet, bogstaveligt talt én elektron ad gangen. Førstnævnte er nøglen til at studere superledning, mens sidstnævnte har en række forskellige anvendelser til dels på grund af dens ekstreme følsomhed over for elektriske felter.

Alle tre enheder har fordel af at være lavet af et enkelt elektrisk afstembart materiale. Dem der er fremstillet konventionelt, af flere materialer, lider af forskellige udfordringer. For eksempel, forskellige materialer kan være uforenelige. "Nu, hvis du har at gøre med ét enkelt materiale, disse problemer forsvinder, " siger Rodan-Legrain.

William Oliver, en MIT-lektor ved Institut for Elektroteknik og Datalogi, som ikke var involveret i forskningen, siger:

"MATBG har den bemærkelsesværdige egenskab, at dens elektriske egenskaber - metalliske, superledende, isolerende, osv. – kan bestemmes ved at påføre en spænding til en nærliggende port. I dette arbejde, Rodan-Legrain et al. har vist, at de kan lave ret komplicerede enheder, der omfatter superledende, normal, og isolerende områder ved elektrisk porting af en enkelt flage af MATBG. Den konventionelle tilgang ville være at fremstille enheden i flere trin ved hjælp af forskellige materialer. Med MATBG, de resulterende enheder er fuldt rekonfigurerbare ved blot at ændre gate-spændingerne."

Mod Fremtiden

Arbejdet beskrevet i Nature Nanotechnology-papiret baner vejen for mange potentielle fremtidige fremskridt. For eksempel, siger Rodan-Legrain, det kunne bruges til at skabe den første spændingsjusterbare qubit fra et enkelt materiale, som kunne anvendes i fremtidige kvantecomputere.

Ud over, fordi det nye system muliggør mere detaljerede undersøgelser af den gådefulde superledning i MATBG, og er forholdsvis nem at arbejde med, holdet håber på, at det kan give indsigt i skabelsen af ​​højtemperatur-superledere. Nuværende superledere kan kun fungere ved meget lave temperaturer. "Det er faktisk et af de store håb [bag vores magiske materiale], " siger Rodan-Legrain. "Kan vi bruge den som en slags Rosetta Stone" for bedre at forstå dens højtemperaturfætre?

I et indblik i, hvordan videnskab fungerer, Rodan-Legrain beskriver de overraskelser, holdet stødte på, mens de udførte forskningen. For eksempel, nogle af dataene fra eksperimenterne svarede ikke til holdets oprindelige forventninger. Det er fordi Josephson-krydset, de skabte ved hjælp af atomisk tynde MATGB, var todimensionelle, og havde således en markant anderledes adfærd end deres 3D-konventionelle modstykker. "Det var fantastisk at få dataene igennem, at se dem, bliver forvirret over dem, og derefter yderligere forståelse og mening af, hvad vi så."

Ud over Jarillo-Herrero og Rodan-Legrain, yderligere forfattere af papiret er Yuan Cao, en postdoc associeret i MIT's Materials Research Laboratory (MRL); Jeong Min Park, en kandidatstuderende i Institut for Kemi; Sergio C. de la Barrera, en postdoc associeret i MRL; Mallika T. Randeria, en Pappalardo postdoc ved Institut for Fysik; og Kenji Watanabe og Takashi Taniguchi, begge fra National Institute for Materials Science i Japan. (Rodan-Legrain, Cao og Park var ligeværdige bidragydere til avisen.)