In een prestatie die een laboratorium waardig is, bedacht door J.K. Rowling, MIT-onderzoekers en collega's hebben van een "magisch" materiaal bestaande uit atomair dunne lagen koolstof drie bruikbare elektronische apparaten gemaakt. Normaal gesproken, dergelijke apparaten, allemaal belangrijk voor de kwantumelektronica-industrie, worden gemaakt met behulp van een verscheidenheid aan materialen die meerdere fabricagestappen vereisen. De MIT-aanpak lost automatisch een verscheidenheid aan problemen op die verband houden met die meer gecompliceerde processen.

Als resultaat, het werk zou een nieuwe generatie kwantumelektronische apparaten kunnen inluiden voor toepassingen, waaronder kwantumcomputing. Verder, de apparaten kunnen supergeleidend zijn, of stroom geleiden zonder weerstand. Dat doen ze, echter, door een onconventioneel mechanisme dat met verdere studie, zou nieuwe inzichten kunnen geven in de fysica van supergeleiding. De onderzoekers rapporteren hun resultaten in de 3 mei, uitgave van 2021 Natuur Nanotechnologie .

"In dit werk hebben we aangetoond dat grafeen met een magische hoek het meest veelzijdige is van alle supergeleidende materialen, waardoor we in een enkel systeem een ​​groot aantal kwantumelektronische apparaten kunnen realiseren. Met behulp van dit geavanceerde platform, we hebben voor het eerst nieuwe supergeleidende fysica kunnen verkennen die alleen in twee dimensies verschijnt, " zegt Pablo Jarillo-Herrero, de Cecil en Ida Green hoogleraar natuurkunde aan het MIT en leider van het werk. Jarillo-Herrero is ook verbonden aan MIT's Materials Research Laboratory.

Een magische hoek

Het nieuwe "magische" materiaal is gebaseerd op grafeen. Grafeen is samengesteld uit een enkele laag koolstofatomen die zijn gerangschikt in zeshoeken die lijken op een honingraatstructuur. Pas ongeveer 17 jaar geleden ontdekt, het heeft een reeks verbazingwekkende eigenschappen. Bijvoorbeeld, het is sterker dan diamant, transparant, en flexibel. Het geleidt ook gemakkelijk zowel warmte als elektriciteit.

In 2018 deed de Jarillo-Herrero-groep een verrassende ontdekking met twee lagen grafeen, de ene op de andere geplaatst. Die lagen, echter, waren niet precies op elkaar; liever, één was licht gedraaid in een "magische hoek" van 1,1 graden.

Door de resulterende structuur kon het grafeen ofwel een supergeleider of een isolator zijn (die de stroom van elektrische stroom voorkomt), afhankelijk van het aantal elektronen in het systeem zoals geleverd door een elektrisch veld. In wezen was het team in staat om grafeen in totaal verschillende toestanden af ​​te stemmen door de spanning met een draai aan een knop te veranderen.

Het algehele "magische" materiaal, formeel bekend als magic-angle twisted bilayer grafeen (MATBG), heeft grote belangstelling gewekt in de onderzoeksgemeenschap, zelfs inspirerend voor een nieuw vakgebied (twistronics). Het staat ook centraal in het huidige werk.

In 2018 veranderden Jarillo-Herrero en collega's de spanning die via een enkele elektrode aan het magische materiaal werd geleverd, of metalen poort. In het huidige werk "we hebben meerdere poorten geïntroduceerd om verschillende delen van het materiaal aan verschillende elektrische velden te onderwerpen, " zegt Daniel Rodan-Legrain, een afgestudeerde student natuurkunde en hoofdauteur van de Natuur Nanotechnologie papier.

Plotseling was het team in staat om verschillende secties van hetzelfde magische materiaal af te stemmen op een overvloed aan elektronische toestanden, van supergeleidend tot isolerend tot ergens daar tussenin. Vervolgens, door poorten in verschillende configuraties toe te passen, ze waren in staat om alle onderdelen van een elektronisch circuit te reproduceren die normaal gesproken zouden worden gemaakt met totaal verschillende materialen.

Werkende apparaten

Uiteindelijk heeft het team deze aanpak gebruikt om drie verschillende werkende kwantumelektronische apparaten te maken. Deze apparaten omvatten een Josephson-knooppunt, of supergeleidende schakelaar. Josephson-knooppunten zijn de bouwstenen van de kwantumbits, of qubits, achter supergeleidende kwantumcomputers. Ze hebben ook een verscheidenheid aan andere toepassingen, zoals inbouw in apparaten die zeer nauwkeurige metingen van magnetische velden kunnen uitvoeren.

Het team creëerde ook twee verwante apparaten:een spectroscopisch tunnelapparaat en een transistor met één elektron, of een zeer gevoelig apparaat om de beweging van elektriciteit te regelen, letterlijk één elektron tegelijk. De eerste is de sleutel tot het bestuderen van supergeleiding, terwijl de laatste een verscheidenheid aan toepassingen heeft, deels vanwege zijn extreme gevoeligheid voor elektrische velden.

Alle drie de apparaten hebben het voordeel dat ze zijn gemaakt van een enkel elektrisch afstembaar materiaal. Die conventioneel zijn gemaakt, van meerdere materialen, kampen met verschillende uitdagingen. Bijvoorbeeld, verschillende materialen kunnen onverenigbaar zijn. "Nutsvoorzieningen, als je te maken hebt met één enkel materiaal, die problemen verdwijnen, ', zegt Rodan-Legrain.

Willem Olivier, een MIT universitair hoofddocent bij de faculteit Elektrotechniek en Informatica die niet bij het onderzoek betrokken was, zegt:

"MATBG heeft de opmerkelijke eigenschap dat zijn elektrische eigenschappen - metaalachtig, supergeleidend, isolerend, enz. - kan worden bepaald door een spanning aan te leggen op een nabijgelegen poort. In dit werk, Rodan-Legrain et al. hebben aangetoond dat ze nogal gecompliceerde apparaten kunnen maken die supergeleidende, normaal, en isolerende gebieden door elektrische poorten van een enkele vlok MATBG. De conventionele benadering zou zijn om het apparaat in verschillende stappen te fabriceren met verschillende materialen. Met MATBG, de resulterende apparaten zijn volledig herconfigureerbaar door simpelweg de poortspanningen te veranderen."

Op weg naar de toekomst

Het werk dat wordt beschreven in de Nature Nanotechnology-paper maakt de weg vrij voor veel potentiële toekomstige ontwikkelingen. Bijvoorbeeld, zegt Rodan-Legrain, het zou kunnen worden gebruikt om de eerste spanning-afstembare qubit van een enkel materiaal te maken, die in toekomstige kwantumcomputers kunnen worden toegepast.

In aanvulling, omdat het nieuwe systeem meer gedetailleerde studies van de raadselachtige supergeleiding in MATBG mogelijk maakt, en is relatief eenvoudig om mee te werken, het team heeft goede hoop dat het inzicht kan geven in de creatie van supergeleiders bij hoge temperaturen. Huidige supergeleiders kunnen alleen bij zeer lage temperaturen werken. "Dat is eigenlijk een van de grote hoop [achter ons magische materiaal], " zegt Rodan-Legrain. "Kunnen we het gebruiken als een soort Rosetta-steen" om zijn neven bij hoge temperaturen beter te begrijpen?

In een glimp van hoe wetenschap werkt, Rodan-Legrain beschrijft de verrassingen die het team tegenkwam tijdens het uitvoeren van het onderzoek. Bijvoorbeeld, sommige gegevens van de experimenten kwamen niet overeen met de aanvankelijke verwachtingen van het team. Dat komt omdat de Josephson-knooppunten die ze creëerden met behulp van atomair dunne MATGB tweedimensionaal waren, en hadden dus een opmerkelijk ander gedrag dan hun conventionele 3D-tegenhangers. "Het was geweldig dat de gegevens doorkwamen, ze zien, verbijsterd over hen, en dan verder begrip en zin van wat we zagen."

Naast Jarillo-Herrero en Rodan-Legrain, andere auteurs van het artikel zijn Yuan Cao, een postdoctoraal medewerker in het Materials Research Laboratory (MRL) van MIT; Jeong Min-park, een afgestudeerde student in de afdeling Scheikunde; Sergio C. de la Barrera, een postdoctoraal medewerker in de MRL; Mallika T. Randeria, een Pappalardo postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde; en Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi, beide van het National Institute for Materials Science in Japan. (Rodan-Legrain, Cao en Park leverden evenveel bijdragen aan de krant.)