麻省理工学院将神奇材料变成多功能电子设备

麻省理工学院的研究人员和同事们将一种由原子级薄碳层组成的“神奇”材料变成了三种有用的电子设备，这是一项值得由 JK Rowling 构想的实验室的壮举。通常，此类设备是量子电子行业的关键，它们是使用需要多个制造步骤的各种材料制成的。MIT 方法会自动解决与那些更复杂的过程相关的各种问题。

结果，这项工作可以为包括量子计算在内的应用引入新一代的量子电子设备。此外，这些器件可以是超导的，或者可以无电阻地导电。然而，他们通过一种非常规的机制来做到这一点，通过进一步的研究，可以为超导物理学提供新的见解。研究人员在 2021 年 5 月 3 日的《自然纳米技术》杂志上报告了他们的结果。

“在这项工作中，我们已经证明魔角石墨烯是所有超导材料中用途最广的，使我们能够在单个系统中实现多种量子电子设备。使用这个先进的平台，我们已经能够首次探索新的超导物理学只出现在二维中，”麻省理工学院塞西尔和艾达·格林物理学教授、该工作的负责人 Pablo Jarillo-Herrero 说。Jarillo-Herrero 还隶属于麻省理工学院的材料研究实验室。

魔角

新的“神奇”材料基于石墨烯。石墨烯由单层碳原子组成，呈六边形排列，类似于蜂窝结构。大约 17 年前才被发现，它具有一系列惊人的特性。例如，它比钻石更坚固、透明、有弹性。它也很容易导热和导电。

2018 年，Jarillo-Herrero 小组做出了一项惊人的发现，涉及两层石墨烯，一层叠在另一层之上。然而，这些层并不完全重叠。而是以1.1度的“魔角”稍微旋转了一个。

由此产生的结构允许石墨烯成为超导体或绝缘体(防止电流流动)，这取决于系统中由电场提供的电子数量。从本质上讲，该团队能够通过在转动旋钮时改变电压来将石墨烯调整为完全不同的状态。

整体“神奇”材料，正式名称为魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)，引起了研究界的浓厚兴趣，甚至激发了一个新领域(扭电子学)。这也是当前工作的核心。

2018 年，Jarillo-Herrero 和同事改变了通过单个电极或金属门提供给魔法材料的电压。在当前的工作中，“我们引入了多个门，使材料的不同区域受到不同的电场影响，”物理学研究生、《自然纳米技术》论文的主要作者 Daniel Rodan-Legrain 说。

突然之间，该团队能够将同一魔法材料的不同部分调整为多种电子状态，从超导到绝缘再到介于两者之间。然后，通过应用不同配置的门，他们能够复制通常用完全不同的材料创建的电子电路的所有部分。

Daniel Rodan-Legrain 举起在 Nature Nanotechnology 中描述的研究中使用的芯片载体。他站在一个与工作中使用的类似的稀释冰箱旁边。图片来源：麻省理工学院 Bharath Kannan

工作装置

最终，该团队使用这种方法创建了三种不同的工作量子电子设备。这些设备包括约瑟夫森结或超导开关。约瑟夫森结是超导量子计算机背后的量子位或量子位的构建块。它们还有多种其他应用，例如集成到可以对磁场进行非常精确测量的设备中。

该团队还创造了两个相关设备：光谱隧道设备和单电子晶体管，或者是一种用于控制电流运动的非常敏感的设备，实际上一次一个电子。前者是研究超导性的关键，而后者具有多种应用，部分原因是它对电场极其敏感。

所有这三种设备都受益于由单一的电可调材料制成。那些以传统方式由多种材料制成的产品面临着各种挑战。例如，不同的材料可能不兼容。“现在，如果你只处理一种材料，这些问题就会消失，”Rodan-Legrain 说。

未参与该研究的麻省理工学院电气工程和计算机科学系副教授威廉奥利弗说：

“ MATBG具有非凡的特性，可以通过向附近的门施加电压来确定其电气特性(金属，超导，绝缘等)。在这项工作中，Rodan-Legrain等人已经证明，它们可以使相当复杂。通过单个 MATBG 薄片的电门控，包括超导、正常和绝缘区域的器件。传统方法是使用不同材料分几个步骤制造器件。使用 MATBG，通过简单地改变栅极电压，可以完全重新配置所产生的器件.”

走向未来

Nature Nanotechnology 论文中描述的工作为许多潜在的未来进步铺平了道路。Rodan-Legrain说，例如，它可以用于由单一材料创建第一个电压可调量子比特，可以在未来的量子计算机中应用。

此外，由于新系统能够对 MATBG 中神秘的超导性进行更详细的研究，并且相对容易使用，因此该团队希望它能够深入了解高温超导体的形成。目前的超导体只能在非常低的温度下工作。“这实际上是[在我们的魔法材料背后] 的一大希望，”罗丹-勒格莱恩说。“我们可以将其用作罗塞塔石碑”以更好地了解其高温表亲吗?

Rodan-Legrain 简要介绍了科学是如何运作的，他描述了团队在进行研究时遇到的惊喜。例如，实验中的一些数据与团队的最初期望不符。那是因为他们使用原子级薄 MATGB 创建的约瑟夫森结是二维的，因此与他们的 3D 传统对应物有明显不同的行为。“让数据通过，看到它们，对它们感到困惑，然后进一步理解和理解我们所看到的，真是太棒了。”

除了 Jarillo-Herrero 和 Rodan-Legrain，该论文的其他作者是 MIT 材料研究实验室 (MRL) 的博士后研究员 Yuan Cao;Jeong Min Park，化学系研究生;Sergio C. de la Barrera，MRL 博士后助理;Mallika T. Randeria，物理系 Pappalardo 博士后研究员;以及国立材料科学研究所的 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi。(Rodan-Legrain、曹和朴是这篇论文的同等贡献者。)

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