Fysiker vid RIKEN har utvecklat en elektronisk enhet som är värd för ovanliga materiatillstånd, vilket en dag kan vara användbart för kvantberäkningar.
När ett material existerar som ett ultratunt lager - bara en eller några atomer tjockt - har det helt andra egenskaper än tjockare prover av samma material. Det beror på att begränsning av elektroner till ett 2D-plan ger upphov till exotiska tillstånd. På grund av sina platta dimensioner och sin breda kompatibilitet med befintliga halvledarteknologier är sådana 2D-material lovande för att utnyttja nya fenomen i elektroniska enheter.
Dessa tillstånd inkluderar quantum spin Hall-isolatorer, som leder elektricitet längs sina kanter men är elektriskt isolerande i deras inre. Sådana system när de är kopplade med supraledning har föreslagits som en väg mot tekniska topologiska supraledande tillstånd som har potentiell tillämpning i framtida topologiska kvantdatorer.
Nu har Michael Randle vid RIKEN Advanced Device Laboratory, tillsammans med medarbetare från RIKEN och Fujitsu, skapat en 2D Josephson-korsning med aktiva komponenter helt och hållet från ett material som är känt för att vara en quantum spin Hall-isolator. Verket publiceras i tidskriften Advanced Materials .
En Josephson-övergång görs vanligen genom att lägga ett material mellan två elementära supraledare. Däremot tillverkade Randle och team sin enhet av en enda kristall av monolager 2D volframtellurid, som tidigare hade visat sig uppvisa både ett supraledande tillstånd och ett kvantspinn Hall-isolator.
"Vi tillverkade korsningen helt av monolager volframtellurid", säger Randle. "Vi gjorde detta genom att utnyttja dess förmåga att ställas in i och ut ur det supraledande tillståndet med hjälp av elektrostatisk grind."
Teamet använde tunna lager av palladium för att ansluta till sidorna av ett volframtelluridlager omgivet och skyddat av bornitrid. De kunde observera ett interferensmönster när de mätte provets magnetiska respons, vilket är karakteristiskt för en Josephson-övergång med 2D supraledande ledningar.
Även om denna studie ger ett ramverk för att förstå komplex supraledning i 2D-system, krävs ytterligare arbete för att tydligt identifiera den mer exotiska fysik som systemen lovar. Utmaningen är att volframtellurid är svårt att bearbeta till enheter på grund av den snabba oxidationen inom några minuter från dess yta under omgivande förhållanden, vilket kräver att all tillverkning utförs i en inert miljö.
"Nästa steg involverar implementeringen av ultraplatta förmönstrade grindstrukturer genom att till exempel använda kemisk-mekanisk polering", förklarar Randle. "Om detta uppnås hoppas vi kunna bilda Josephson-korsningar med exakt skräddarsydda geometrier och att använda våra banbrytande experimenttekniker för mikrovågsresonatorer för att observera och undersöka enheternas spännande topologiska natur."
Mer information: Michael D. Randle et al, Gate-Defined Josephson Weak-Links in Monolayer WTe2, Advanced Materials (2023). DOI:10.1002/adma.202301683
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av RIKEN
