纳米技术突破:由石墨烯制成的材料键盘

材料键盘

Eth苏黎世研究人员实现的材料键盘。通过在不同点施加电压(“键”),魔法角石墨烯可以成为局部超导(电子对)或隔离(右侧的屏障)。信贷:eth苏黎世/ F. de Vries

苏黎世联邦理工学院的研究人员已经成功地将专门准备的石墨烯通过施加电压使薄片变成绝缘体或超导体。这种技术甚至可以在局部发挥作用,这意味着在相同的石墨烯薄片区域,完全不同的物理性质可以同时实现。

现代电子元件的生产需要具有非常多样化的物质。例如,存在隔离器,其不会导通电流,以及运输它而没有任何损失的超导体。为了获得组件的特定功能,通常必须一起加入几种这样的材料。通常情况下不容易,特别是在处理今天广泛使用的纳米结构时。

由Klaus Ensslin和托马斯IHN的Eth苏黎世研究人员在实验室的实验室,现已成功地将材料交替作为绝缘体或作为超导体行事 - 甚至在同一材料中的不同位置通过简单地施加电压。他们的结果已在科学期刊上发表自然纳米技术。这项研究得到了国家量子科学技术研究能力中心的支持。

石墨烯有魔法角度

Ensslin和他的同事使用的材料有一个有点拗口的名字“魔法角扭曲双层石墨烯”。事实上,这个名字隐藏着一些相当简单和众所周知的东西,即碳——尽管是以一种特殊的形式和特殊的扭曲。这种材料的起点是石墨烯薄片,即只有一个碳层的碳层原子厚的。研究人员以这样的方式将其中两个层放在彼此之上,使其晶体轴不平行,而是使“魔法角度”为恰好1.06度。“这非常棘手,我们还需要准确控制生产过程中薄片的温度。结果,它经常出现问题,“彼得鲁克豪斯解释说,他们参与实验作为博士后的实验。

然而,在20%的尝试中,它成功了,然后石墨烯薄片的原子晶格产生了所谓的moiré模式,在这种模式中,材料中的电子行为与普通石墨烯不同。Moiré图案在电视上很常见,例如,有图案的衣服和电视图像的扫描线之间的相互作用可以导致有趣的光学效果。在神奇的角度石墨烯薄片上,研究人员附加了几个电极,他们可以用这些电极对材料施加电压。然后他们把所有东西都冷却到百分之几度以上绝对零度,一些了不起的事情发生了。根据施加的电压,石墨烯薄片表现为两种完全相反的方式:要么作为超导体,要么作为绝缘体。这种可切换的超导性已于2018年在麻省理工学院(麻省理工学院)在美国。即使在今天,世界上也只有少数几个组织能够生产出这样的样品。

约瑟夫逊结

电子显微镜图像的Josephson结(假色彩)。使用电极(明亮和深金色)作为钢琴键,可以在两个超导区域之间产生100纳米厚的绝缘层。信贷:eth苏黎世/ F. de Vries

绝缘体和超导体在相同的材料中

Ensslin和他的同事现在进一步走了一步。通过将不同的电压施加到各个电极,它们在一个位置将魔角石墨烯转入绝缘体,但是一侧的一侧变为超导体。

“当我们看到这一点时,我们显然首先试图实现约瑟夫森交界处,”Fokko de Vries说,他也是Ensslins实验室的Postdoc。在这种连接中,两个超导体通过晶片薄绝缘层分开。以这种方式,电流不能直接在两个超导体之间流动,而是必须通过绝缘体机械地隧道机械地隧道。又根据使用直接或交流电流,导致接触的电导率变化为电流的函数。

量子技术中可能的应用

ETH的研究人员通过对三个电极施加不同的电压,成功地在石墨烯薄片内部产生了一个约瑟夫森结,并测量了它的特性。德·弗里斯说:“既然这一方法已经奏效,我们可以尝试使用更复杂的设备,比如squid。”在SQUIDs(“超导量子干涉装置”)中,两个约瑟夫森结连接成一个环。这种设备的实际应用包括微小磁场的测量,以及量子计算机等现代技术。可能使用在量子计算机中,一个有趣的方面是,的帮助下电极石墨烯薄片可以不仅变成绝缘体和超导体,也成磁铁或所谓的拓扑绝缘体,目前只能在一个方向流动的边缘材料。这可以用来在一个设备中实现不同种类的量子位。

材料键盘

“到目前为止,这只是猜测,”恩斯林说。尽管如此,他也很热情地对电气控制产生的可能性。“与电极,我们几乎可以在石墨烯上踢钢琴。”在其他事情中,物理学家希望这将有助于他们获得新的见解,进入魔法角图中的超导的详细机制。

参考文献:Folkert K. de Vries, Elías Portolés, Giulia Zheng, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Thomas Ihn, Klaus Ensslin和Peter Rickhaus, 2021年5月3日,“魔法角扭曲的双层石墨烯中门定义的Josephson结”,自然纳米技术
DOI:10.1038 / S41565-021-00896-2

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