Удивительные превращения двухслойного графена в универсальные электронные устройства: проводник, сверхпроводник или изолятор
Скрученный под магическим углом двухслойный графен (MATBG) превращается в хорошо настраиваемую двумерную материальную платформу, демонстрирующую широкий диапазон свойств, таких как состояние проводника, сверхпроводника или изолятора. Обладая универсальной функциональностью, заключенной в одном материале, эти устройства MATBG могут найти применение в настраиваемых сверхпроводящих кубитах на основе графена, в сверхпроводящих схемах на кристалле и в электромагнитных датчиках.
Исследователи из Массачусетского технологического института превратили «волшебный» материал, состоящий из атомарно тонких слоев углерода, в три полезных электронных устройства таких как проводник, сверхпроводник и изолятор. 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 их изготовлением.
Художественное изображение наноскопической структуры одного из новых наноустройств MIT. Два скрученных листа графена представлены атомами углерода синего цвета в сотовой решетке. Электроды (вентили) над и под графеном показаны желтыми. Электроны — малыми голубыми кружками. Изображение предоставлено студией Эллы Мару.
В результате эта работа может открыть новое поколение квантовых электронных устройств для приложений, включая квантовые вычисления. Кроме того, важно, что созданные устройства могут быть сверхпроводящими, т. е. проводить ток без сопротивления. При этом процесс происходит нетрадиционно и при дальнейшем изучении может дать новое понимание физики сверхпроводимости.
Исследования подтвердили, что графен с магическим углом является наиболее универсальным из всех сверхпроводящих материалов, что позволяет реализовать в одной системе множество устройств квантовой электроники. Используя эту передовую платформу, ученые впервые смогли исследовать новую физику сверхпроводимости, которая проявляется в двух измерениях.
Новый «волшебный» материал основан на графене, единственном слое атомов углерода, расположенных в шестиугольниках, напоминающих сотовую структуру. Он в миллион раз тоньше человеческого волоса.
С момента первого однозначного выделения графена в 2004 году интерес к этому материалу резко возрос из-за его уникальных свойств, поскольку он прочнее стали, прозрачен и эластичен. Также он легко проводит как тепло, так и электричество. И вот теперь обнаружены его новые свойства, проявляющиеся при использовании двух слоев графена, один поверх другого со взаимным поворотом на «магический угол» 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, исследователи смогли настраивать свойства графена в совершенно разные состояния.
Ранее ученые проводили исследования по изменению напряжения, подаваемого на магический материал через единственный электрод — металлический затвор. В новых опытах введены несколько вентилей, чтобы подвергать различные области материала воздействию различных электрических полей. Таким образом удалось настроить разные части одного и того же магического материала на множество электронных состояний, от сверхпроводящего до изоляционного с промежуточными свойствами. Затем, применяя вентили в различных конфигурациях, появилась возможность воспроизвести все части электронной схемы, которые обычно создавались бы из совершенно разных материалов.
В конечном итоге команда использовала этот подход для создания трех разных работающих квантовых электронных устройств. Эти устройства включают сверхпроводящий переключатель (джозефсоновский переход), который является строительным блоком квантовых битов или кубитов сверхпроводящих квантовых компьютеров. У них также есть множество других применений, в частности в устройствах, которые могут выполнять очень точные измерения магнитных полей.
Исследователи также создали два связанных устройства: устройство спектроскопического туннелирования и одноэлектронный транзистор или очень чувствительное устройство для управления током, 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 данных устройств в том, что они изготовлены из одного электрически настраиваемого материала. В ранее применяемых устройствах, которые изготавливались традиционным способом из нескольких материалов, возникало множество проблем. Например, разные материалы могут быть несовместимы. Теперь, если используется один-единственный материал, эти проблемы исчезают.
В целом MATBG обладает замечательным свойством, заключающимся в том, что его электрические свойства — металлические, сверхпроводящие, изолирующие и т. д. — могут быть определены с помощью приложение напряжения к ближайшему затвору. Таким образом можно создавать довольно сложные устройства, содержащие сверхпроводящие, нормальные и изолирующие области, путем электрического управления одной пластиной MATBG.
Кроме того, поскольку новая система позволяет более детально изучать загадочную сверхпроводимость в MATBG и с ней относительно легко работать, ученые надеются, что она сможет помочь в создании высокотемпературных сверхпроводников.