全球首個石墨烯超導(dǎo)量子干涉裝置面世

IT之家 11 月 7 日消息，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué) (ETH) 的恩斯林（Ensslin）團(tuán)隊利用石墨烯，制造出了首個超導(dǎo)量子干涉裝置，用于演示超導(dǎo)準(zhǔn)粒子的干涉。這大大擴(kuò)展了碳石墨烯的用途范圍。

相關(guān)論文已經(jīng)發(fā)表在《自然?納米技術(shù)》上，DOI：10.1038/s41565-022-01222-0。這一研究成果有望促進(jìn)量子技術(shù)的發(fā)展，也為超導(dǎo)研究開辟了新的可能性。

2004 年，康斯坦丁?諾沃肖洛夫 (Konstantin Novoselov) 和安德烈?海姆 (Andre Geim) 首次創(chuàng)造了僅由一層碳原子組成的二維晶體。這種材料被命名為石墨烯，自此引發(fā)廣泛關(guān)注并獲得大力發(fā)展。石墨烯是目前已知最薄、強(qiáng)度最高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最好的新型納米材料。隨著研究的不斷深入，其更多特性也一一浮出水面。

現(xiàn)在，ETH 研究人員首次從雙層扭轉(zhuǎn)石墨烯中制備出了超導(dǎo)元件，即 SQUID (超導(dǎo)量子干涉器件)，用于演示超導(dǎo)準(zhǔn)粒子的干涉。在量子技術(shù)中，這些敏感的傳感器被用作量子比特 (qubits)。這些基本元素可用于執(zhí)行量子運算和構(gòu)建更復(fù)雜的電路。

根據(jù)官方新聞稿，這個成果首先建立在 ETH 固態(tài)物理實驗室的 Klaus Ensslin 和 Thomas Ihn 團(tuán)隊的研究工作之上。IT之家了解到，他們大約一年前就已經(jīng)證明，扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯可用于制造超導(dǎo)設(shè)備的基本組成部分約瑟夫森結(jié) (Josephson junction)。

然而，研究人員并不滿足于將他們這種突破，因為這些石墨烯 SQUID 相比傳統(tǒng)的鋁制 SQUID 也沒有太大優(yōu)勢，而且和傳統(tǒng) SQUID 一樣的是它也必須冷卻到接近絕對零度的水平（絕對零度以上 2 度）。

根據(jù)恩斯林的說法，它們明顯擴(kuò)大了應(yīng)用范圍:“五年前，我們已經(jīng)能夠證明石墨烯可以用于制造單電子晶體管?，F(xiàn)在我們又在其中增加了超導(dǎo)性?！?/p>

根據(jù)施加的電壓，石墨烯可以在絕緣、導(dǎo)電、超導(dǎo)三種狀態(tài)之間變化。此外，現(xiàn)在這一結(jié)果表明我們可以在單一材料中結(jié)合半導(dǎo)體的晶體管和超導(dǎo)體制成新型 SQUID。

恩斯林指出，“在量子技術(shù)中，SQUID 可以容納量子比特，因此可用作執(zhí)行量子操作的元件。此外，通常情況下，晶體管由硅制成，SQUID 由鋁制成，不同材料需要不同加工技術(shù)，但現(xiàn)在它們都可由石墨烯制成。”

按照 Ensslin 的說法，他們未來的研究將專注于在同一晶體上使用石墨烯來結(jié)合兩種量子系統(tǒng)的優(yōu)點。

恩斯林補(bǔ)充道，石墨烯內(nèi)存在不同的超導(dǎo)相，但還沒有一個理論模型來解釋它們。最新成果也將為超導(dǎo)研究帶來新的可能性，有了這些組件，也許能更好地理解石墨烯中的超導(dǎo)性是如何產(chǎn)生的。