Il MIT trasforma materiali superconduttori “magici” in dispositivi elettronici versatili

Lungo

Una rappresentazione artistica della struttura in nanoscala di uno dei nuovi nanodispositivi del MIT. I due fogli intrecciati di grafene sono rappresentati dagli atomi di carbonio blu metallico del reticolo a nido d’ape. Gli elettrodi superiore e inferiore (gate) del grafene sono rappresentati dall’oro. Gli elettroni sono rappresentati da piccoli cerchi azzurri.Credito: Immagine per gentile concessione di Ella Maru Studio

Lavora su tre GrafeneI dispositivi basati su possono fornire nuove informazioni sulla superconduttività.

INSIEME A Ricercatori e colleghi hanno trasformato materiali “magici”, costituiti da un sottile strato di atomi di carbonio, in tre utili dispositivi elettronici. Di solito, tali dispositivi sono tutte le chiavi per l’industria dell’elettronica quantistica e sono realizzati utilizzando una varietà di materiali che richiedono più processi di produzione. L’approccio del MIT risolve automaticamente una serie di problemi associati a questi processi più complessi.

Di conseguenza, questa ricerca potrebbe inaugurare una nuova generazione di dispositivi elettronici quantistici per applicazioni quali: Calcolo quantisticoInoltre, il dispositivo può condurre elettricità, sia superconduttiva che senza resistenza. Ma lo fanno attraverso meccanismi non convenzionali e ulteriori ricerche possono fornire nuove intuizioni sulla fisica dei superconduttori. Ricercatori nel numero del 3 maggio 2021 Nanotecnologia della natura..

“Questo studio ha dimostrato che il grafene ad angolo magico è il più versatile di tutti i materiali superconduttori, consentendo la realizzazione di più dispositivi elettronici quantistici in un unico sistema utilizzando questa piattaforma avanzata. Per la prima volta ho potuto esplorare una nuova fisica superconduttiva che è emersa solo in due dimensioni”, ha affermato Pablo Jaliro Herrero, professore di fisica verde al MIT e leader dello studio. Lo farò. Jarillo-Herrero è anche membro del Materials Laboratory del MIT.

Angolo magico

Il nuovo materiale “magico” è a base di grafene, un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un esagono che ricorda una struttura a nido d’ape. Dalla prima netta separazione del grafene nel 2004, l’interesse per questo materiale è salito alle stelle grazie alle sue proprietà uniche. Ad esempio, è più forte, più trasparente e più flessibile del diamante. Inoltre conduce facilmente sia il calore che l’elettricità.

Nel 2018, il gruppo Jarillo-Herrero Scoperte sorprendenti Ci sono due strati di grafene, uno sopra l’altro. Tuttavia, questi strati non si sovrapponevano esattamente l’uno all’altro. Piuttosto, ruotava leggermente con un “angolo magico” di 1,1 gradi.

Regole di Daniel Rodin

Daniel Rodin-Reglen, uno studente laureato presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT), elenca i portatori di chip utilizzati per sviluppare nuovi dispositivi elettronici a base di grafene. Si trova accanto a un frigorifero diluente simile a quello utilizzato nel lavoro. Crediti: Bharath Kannan

La struttura risultante ha permesso al grafene di essere un superconduttore o un isolante (che blocca il flusso di corrente), a seconda del numero di elettroni nel sistema fornito dal campo elettrico. Fondamentalmente, il team è stato in grado di regolare il grafene in uno stato completamente diverso semplicemente ruotando la manopola e modificando la tensione.

L’intero materiale “magico”, formalmente noto come Magic Angle Twisted Double-Layered Graphene (MATBG), ha suscitato un grande interesse nella comunità di ricerca e potrebbe persino stimolare un nuovo campo noto come Twistronics. È anche il centro del mio lavoro attuale.

Nel 2018, Jarillo-Herrero e i suoi colleghi hanno cambiato la tensione fornita al materiale magico attraverso un singolo elettrodo o cancello metallico. Nello studio attuale, “abbiamo introdotto più porte per esporre diverse aree del materiale a diversi campi elettrici”, afferma Daniel Rodin-Reglen, uno studente laureato in fisica e autore principale del trattato. .. Nanotecnologia della natura carta.

Improvvisamente, il team è stato in grado di adattare diverse sezioni dello stesso materiale magico a una grande quantità di stato elettronico, dalla superconduttività all’isolamento e da qualche parte nel mezzo. Quindi, applicando porte di varie configurazioni, è stato possibile riprodurre tutte le parti di un circuito elettronico, che solitamente sono realizzate con materiali completamente diversi.

Attrezzatura da lavoro

Alla fine, il team ha utilizzato questo approccio per creare tre diversi dispositivi elettronici quantistici funzionanti. Questi dispositivi includono giunzioni Josephson o interruttori superconduttori. La giunzione Josephson è un componente del qubit dietro un computer quantistico superconduttore. Ha anche una varietà di usi, come incorporarlo in un dispositivo in grado di misurare i campi magnetici in modo molto accurato.

Il team ha anche creato due dispositivi correlati: un dispositivo tunnel spettroscopico e un transistor a elettrone singolo, o un dispositivo molto sensibile per controllare il movimento dell’elettricità, letteralmente un elettrone alla volta. Il primo è la chiave per studiare la superconduttività e il secondo è molto sensibile ai campi elettrici, quindi ha una varietà di usi.

Tutti e tre i dispositivi hanno il vantaggio di essere realizzati in un unico materiale regolabile elettricamente. Tradizionalmente, quelli realizzati con più materiali affrontano una serie di sfide. Ad esempio, materiali diversi potrebbero non essere compatibili. Se hai a che fare con un materiale in questo momento, quei problemi saranno risolti, dice Rodan-Legrain.

William Oliver, professore associato di ingegneria elettrica e informatica al MIT, non ha partecipato a questo studio. Applicare tensione al cancello vicino. In questo lavoro, Rodan-Legrain et al. Hanno dimostrato che i gate elettrici a fiocco singolo di MATBG possono creare dispositivi abbastanza complessi, comprese regioni superconduttive, normali e isolate. L’approccio tradizionale consiste nel fabbricare il dispositivo in più fasi utilizzando materiali diversi. Con MATBG, puoi riconfigurare completamente il dispositivo risultante semplicemente cambiando la tensione di gate. “

Verso il futuro

Opere elencate in Nanotecnologia della natura La carta apre la strada a molti potenziali progressi futuri. Ad esempio, Rodan-Legrain afferma che può essere utilizzato per creare il primo qubit regolabile in tensione da un singolo materiale e applicarlo ai futuri computer quantistici.

Inoltre, il nuovo sistema consente uno studio più dettagliato della misteriosa superconduttività di MATBG ed è relativamente gestibile, quindi il team spera di fornire informazioni sulla creazione di superconduttori ad alta temperatura. I superconduttori funzionano solo a temperature molto basse. “In realtà è una delle grandi speranze. [behind our magic material]”dice Rodan-Legrain. Per capire meglio il suo cugino caldo, “Può essere usato come una specie di Stele di Rosetta?”

Per avere un’idea di come funziona la scienza, Rodan-Legrain descrive le sorprese che il team ha incontrato mentre conduceva la ricerca. Ad esempio, alcuni dati dell’esperimento non hanno soddisfatto le aspettative iniziali del team. Questo perché la giunzione Josephson creata utilizzando il sottile MATGB a livello atomico è bidimensionale e si comporta in modo significativamente diverso dalla sua controparte 3D tradizionale. “È stato fantastico che i dati siano stati forniti, confusi, approfonditi e compresi”.

Vedi anche: “Giunzioni altamente regolabili ed effetti Josephson non locali nei dispositivi di tunnellizzazione del grafene ad angolo magico” Daniel Rodin-Reglen, Yuan Khao, John Min Park, Sergio C. Dela Valera, Marica T. Randelia, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi e Pablo Jaliro Herrero , 3 maggio 2021, Nanotecnologia della natura..
DOI: 10.1038 / s41565-021-00894-4

Oltre a Jarillo-Herrero e Rodan-Legrain, l’autore aggiuntivo di questo trattato è Yuan Cao, un postdoc presso l’Institute for Materials Research (MRL) del MIT. Park Jung Min, uno studente laureato presso il Dipartimento di Chimica. Sergio C. de la Barrera, postdoc di MRL. Malika T. Randeria, Postdoctoral Fellow, Dipartimento di Fisica. Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi dell’Istituto nazionale per la scienza dei materiali. (Rodan-Legrain, Cao e Park hanno contribuito in egual modo a questo trattato.)

Questo lavoro proviene dalla National Science Foundation, dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dall’Ufficio di ricerca dell’esercito americano, dalla Fundaci贸 Bancaria 渓a Caixa? Gordon e Betty Moore Foundation, Fundaci贸n Ramon Areces, MIT Paparald Fellowship e Ministero giapponese dell’istruzione, della cultura, dello sport, della scienza e della tecnologia.

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