Natuurkundigen van RIKEN hebben een elektronisch apparaat ontwikkeld dat ongebruikelijke toestanden van materie herbergt, wat op een dag nuttig zou kunnen zijn voor kwantumberekeningen.

Wanneer een materiaal bestaat als een ultradunne laag – slechts één of enkele atomen dik – heeft het totaal andere eigenschappen dan dikkere monsters van hetzelfde materiaal. Dat komt omdat het beperken van elektronen tot een 2D-vlak exotische toestanden veroorzaakt. Vanwege hun platte afmetingen en hun brede compatibiliteit met bestaande halfgeleidertechnologieën zijn dergelijke 2D-materialen veelbelovend voor het benutten van nieuwe fenomenen in elektronische apparaten.

Deze toestanden omvatten kwantum-spin-Hall-isolatoren, die elektriciteit langs hun randen geleiden, maar van binnen elektrisch isolerend zijn. Dergelijke systemen zijn, in combinatie met supergeleiding, voorgesteld als een route naar het construeren van topologische supergeleidende toestanden die potentiële toepassing kunnen hebben in toekomstige topologische kwantumcomputers.

Nu heeft Michael Randle van het RIKEN Advanced Device Laboratory, samen met collega's van RIKEN en Fujitsu, een 2D Josephson-overgang gecreëerd met actieve componenten, volledig uit een materiaal waarvan bekend is dat het een quantum spin Hall-isolator is. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials .

Een Josephson-overgang wordt doorgaans gemaakt door een materiaal tussen twee elementaire supergeleiders te plaatsen. Randle en zijn team vervaardigden hun apparaat daarentegen uit een enkel kristal van monolaag 2D-wolfraamtelluride, waarvan eerder was aangetoond dat het zowel een supergeleidende toestand als een kwantum-spin-Hall-isolator vertoonde.

"We hebben de kruising volledig vervaardigd uit monolaag wolfraamtelluride", zegt Randle. "We hebben dit gedaan door gebruik te maken van het vermogen om in en uit de supergeleidende toestand te worden afgestemd met behulp van elektrostatische poorten."

Het team gebruikte dunne lagen palladium om verbinding te maken met de zijkanten van een wolfraamtelluridelaag omgeven en beschermd door boornitride. Ze konden een interferentiepatroon waarnemen toen ze de magnetische respons van het monster maten, wat kenmerkend is voor een Josephson-overgang met 2D-supergeleidende kabels.

Hoewel deze studie een raamwerk biedt voor het begrijpen van complexe supergeleiding in 2D-systemen, is verder werk nodig om de meer exotische fysica die de systemen beloven duidelijk te identificeren. De uitdaging is dat wolfraamtelluride moeilijk in apparaten kan worden verwerkt vanwege de snelle oxidatie binnen enkele minuten vanaf het oppervlak onder omgevingsomstandigheden, waardoor alle fabricage in een inerte omgeving moet worden uitgevoerd.

"De volgende stap omvat de implementatie van ultravlakke poortstructuren met voorgevormd patroon door bijvoorbeeld gebruik te maken van chemisch-mechanisch polijsten", legt Randle uit. "Als dit wordt bereikt, hopen we Josephson-overgangen te vormen met nauwkeurig op maat gemaakte geometrieën en onze geavanceerde microgolfresonator-experimenttechnieken te gebruiken om de opwindende topologische aard van de apparaten te observeren en te onderzoeken."

Meer informatie: Michael D. Randle et al, Gate-Defined Josephson Weak-Links in Monolayer WTe2, Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202301683

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Aangeboden door RIKEN