I en bedrift värdig ett laboratorium utarbetat av J.K. Rowling, MIT-forskare och kollegor har förvandlat ett "magiskt" material som består av atomärt tunna lager av kol till tre användbara elektroniska enheter. I vanliga fall, sådana anordningar, alla nyckeln till kvantelektronikindustrin, skapas med en mängd olika material som kräver flera tillverkningssteg. MIT-metoden löser automatiskt en mängd olika problem som är förknippade med de mer komplicerade processerna.

Som ett resultat, arbetet skulle kunna inleda en ny generation av kvantelektroniska enheter för tillämpningar inklusive kvantberäkning. Ytterligare, enheterna kan vara supraledande, eller leda elektricitet utan motstånd. De gör så, dock, genom en okonventionell mekanism som, med vidare studier, skulle kunna ge nya insikter i superledningsfysiken. Forskarna rapporterar sina resultat den 3 maj, 2021 års nummer av Naturens nanoteknik .

"I detta arbete har vi visat att magisk vinkelgrafen är det mest mångsidiga av alla supraledande material, gör det möjligt för oss att i ett enda system realisera en mängd kvantelektroniska enheter. Genom att använda denna avancerade plattform, vi har för första gången kunnat utforska ny supraledande fysik som bara uppträder i två dimensioner, " säger Pablo Jarillo-Herrero, Cecil och Ida Green professor i fysik vid MIT och ledare för arbetet. Jarillo-Herrero är också knuten till MIT:s materialforskningslaboratorium.

En magisk vinkel

Det nya "magiska" materialet är baserat på grafen. Grafen är sammansatt av ett enda lager av kolatomer arrangerade i hexagoner som liknar en bikakestruktur. Upptäcktes bara för cirka 17 år sedan, den har en rad fantastiska egenskaper. Till exempel, den är starkare än diamant, transparent, och flexibel. Den leder också lätt både värme och el.

År 2018 gjorde Jarillo-Herrero-gruppen en häpnadsväckande upptäckt som involverade två lager grafen, den ena placerad ovanpå den andra. Dessa lager, dock, var inte precis ovanpå varandra; snarare, en var något vriden i en "magisk vinkel" på 1,1 grader.

Den resulterande strukturen gjorde att grafenen var antingen en supraledare eller en isolator (som förhindrar flödet av elektrisk ström), beroende på antalet elektroner i systemet som tillhandahålls av ett elektriskt fält. I grund och botten kunde teamet ställa in grafen till helt olika tillstånd genom att ändra spänningen vid vridningen av en ratt.

Det övergripande "magiska" materialet, formellt känd som magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG), har skapat ett intensivt intresse i forskarvärlden, till och med inspirera till ett nytt område (twistronics). Det är också kärnan i det pågående arbetet.

År 2018 ändrade Jarillo-Herrero och hans medarbetare spänningen som tillfördes det magiska materialet via en enda elektrod, eller metallisk grind. I det pågående arbetet, "vi introducerade flera grindar för att utsätta olika områden av materialet för olika elektriska fält, säger Daniel Rodan-Legrain, en doktorand i fysik och huvudförfattare till Naturens nanoteknik papper.

Plötsligt kunde teamet ställa in olika delar av samma magiska material till en uppsjö av elektroniska tillstånd, från supraledande till isolering till någonstans däremellan. Sedan, genom att använda grindar i olika konfigurationer, de kunde reproducera alla delar av en elektronisk krets som vanligtvis skulle skapas med helt andra material.

Fungerande enheter

Till slut använde teamet detta tillvägagångssätt för att skapa tre olika fungerande kvantelektroniska enheter. Dessa enheter inkluderar en Josephson-korsning, eller supraledande omkopplare. Josephson-korsningar är byggstenarna i kvantbitarna, eller qubits, bakom supraledande kvantdatorer. De har också en mängd andra applikationer, såsom inbyggnad i enheter som kan göra mycket exakta mätningar av magnetfält.

Teamet skapade också två relaterade enheter:en spektroskopisk tunnelenhet och en enkelelektrontransistor, eller en mycket känslig anordning för att kontrollera elektricitetens rörelse, bokstavligen en elektron i taget. Den förra är nyckeln till att studera supraledning, medan den senare har en mängd olika tillämpningar delvis på grund av dess extrema känslighet för elektriska fält.

Alla tre enheterna drar nytta av att vara gjorda av ett enda elektriskt inställbart material. De som tillverkas på konventionellt sätt, av flera material, lider av en mängd olika utmaningar. Till exempel, olika material kan vara inkompatibla. "Nu, om du har att göra med ett enda material, dessa problem försvinner, säger Rodan-Legrain.

William Oliver, en MIT-docent vid institutionen för elektroteknik och datavetenskap som inte var involverad i forskningen, säger:

"MATBG har den anmärkningsvärda egenskapen att dess elektriska egenskaper - metalliska, supraledande, isolerande, etc. – kan bestämmas genom att lägga en spänning på en närliggande grind. I det här arbetet, Rodan-Legrain et al. har visat att de kan göra ganska komplicerade enheter som innefattar supraledande, vanligt, och isolerande områden genom elektrisk grindning av en enda flaka av MATBG. Det konventionella tillvägagångssättet skulle vara att tillverka anordningen i flera steg med användning av olika material. Med MATBG, de resulterande enheterna är helt omkonfigurerbara genom att helt enkelt ändra gate-spänningarna."

Mot framtiden

Arbetet som beskrivs i Nature Nanotechnology paper banar väg för många potentiella framtida framsteg. Till exempel, säger Rodan-Legrain, den kan användas för att skapa den första spänningsavstämbara qubiten från ett enda material, som skulle kunna tillämpas i framtida kvantdatorer.

Dessutom, eftersom det nya systemet möjliggör mer detaljerade studier av den gåtfulla supraledningsförmågan i MATBG, och är relativt lätt att arbeta med, teamet är hoppfullt att det skulle kunna ge insikter i skapandet av högtemperatursupraledare. Nuvarande supraledare kan endast fungera vid mycket låga temperaturer. "Det är faktiskt ett av de stora förhoppningarna [bakom vårt magiska material], " säger Rodan-Legrain. "Kan vi använda den som en sorts Rosettasten" för att bättre förstå dess högtemperaturkusiner?

Som en inblick i hur vetenskap fungerar, Rodan-Legrain beskriver överraskningarna som teamet stötte på när de genomförde forskningen. Till exempel, en del av data från experimenten motsvarade inte lagets initiala förväntningar. Det beror på att Josephson-korsningarna de skapade med atomärt tunna MATGB var tvådimensionella, och hade därför ett anmärkningsvärt annorlunda beteende från deras 3D-konventionella motsvarigheter. "Det var fantastiskt att ha data fram, att se dem, blir förbryllad över dem, och sedan ytterligare förståelse och förståelse för vad vi såg."

Förutom Jarillo-Herrero och Rodan-Legrain, ytterligare författare till tidningen är Yuan Cao, en postdoktor vid MIT:s materialforskningslaboratorium (MRL); Jeong Min Park, en doktorand vid Institutionen för kemi; Sergio C. de la Barrera, en postdoktor i MRL; Mallika T. Randeria, en Pappalardo-postdoktor vid institutionen för fysik; och Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi, båda från National Institute for Materials Science i Japan. (Rodan-Legrain, Cao och Park var lika bidragsgivare till tidningen.)