Nowy składnik kwantowy wykonany z grafenu

Prawidłowy skręt

Szczególnie interesujące dla badaczy są dwuwarstwowe kryształy grafenu, w których dwie warstwy atomowe są lekko obrócone względem siebie. Około rok temu zespół naukowców kierowany przez Klausa Enslina i Thomasa Ehna z Laboratorium Fizyki Ciała Stałego ETH w Zurychu był w stanie wykazać, że skręcony grafen można wykorzystać do tworzenia złącz Josephsona, elementów budulcowych urządzeń nadprzewodzących.

Opierając się na tych pracach, naukowcy byli teraz w stanie wyprodukować pierwsze nadprzewodnikowe urządzenie interferencyjne nadprzewodzącego grafenu, zwane SQUID, w celu zademonstrowania interferencji nadprzewodzącej quasicząstkowej. Tradycyjne kalmary są już wykorzystywane m.in. w medycynie, geologii i archeologii. Jego czułe czujniki są w stanie mierzyć nawet najmniejsze zmiany pól magnetycznych. Jednak kalmary działają tylko z materiałami nadprzewodnikowymi, więc podczas pracy wymagają chłodzenia ciekłym helem lub azotem.

W technologii kwantowej kałamarnice mogą hostować bity kwantowe (kubity); Czyli jako elementy realizacji operacji ilościowych. „Dla nadprzewodnictwa kałamarnice są tym, czym są tranzystory w technologii półprzewodnikowej – elementami budulcowymi do budowy bardziej złożonych obwodów” – wyjaśnia Anslin.

Spektrum się poszerza

Atrament grafenowy stworzony przez doktoranta Eliasa Portolisa nie jest delikatniejszy niż jego tradycyjne aluminiowe odpowiedniki i musi być chłodzony do temperatury poniżej dwóch stopni powyżej zera absolutnego. „Więc nie jest to hack technologii kałamarnic jako taki” – mówi Enslin. Rozszerza jednak znacznie zakres zastosowań grafenu. Już pięć lat temu byliśmy w stanie pokazać, że grafen można wykorzystać do budowy tranzystorów jednoelektronowych. Teraz dodaliśmy nadprzewodnictwo”, mówi Ensslin.

Co godne uwagi, zachowanie grafenu może być kontrolowane w sposób celowy przez napięcie elektrody. W zależności od przyłożonego napięcia materiał może być izolacyjny, przewodzący lub nadprzewodzący. „Do naszej dyspozycji jest bogate spektrum możliwości, jakie daje fizyka ciała stałego”, mówi Enslin.

Interesujące jest również to, że elementy składowe półprzewodnika (tranzystora) i nadprzewodnika (SQUID) można teraz połączyć w jeden materiał. Umożliwia to budowanie nowych procesów sterowania. „Zazwyczaj tranzystor jest wykonany z krzemu, a kałamarnica z aluminium” – mówi Enslin. „Są to różne materiały, które wymagają różnych technik przetwarzania”.

Bardzo trudny proces produkcyjny

Nadprzewodnictwo w grafenie zostało odkryte przez grupę badawczą z Massachusetts Institute of Technology pięć lat temu, ale na całym świecie jest tylko kilkanaście grup eksperymentalnych zajmujących się tym zjawiskiem. Niewiele z nich jest nawet w stanie zamienić grafen nadprzewodzący w funkcjonalny składnik.

Wyzwanie polega na tym, że naukowcy muszą wykonać kilka precyzyjnych kroków roboczych jeden po drugim: po pierwsze, muszą wyrównać arkusze grafenu pod kątem prostym do siebie. Kolejne kroki to podłączenie elektrod i wywiercenie otworów. Jeśli grafen jest podgrzewany, jak to często ma miejsce podczas obróbki w pomieszczeniach czystych, dwie warstwy dopasowują się do kąta skręcania i znikają. „Standardowa technologia półprzewodnikowa musi zostać całkowicie zresetowana, co sprawia, że ​​praca ta jest bardzo trudna”, mówi Portolés.

zobacz systemy hybrydowe

Ensslin myśli o krok do przodu. Obecnie ocenianych jest bardzo wiele różnych technologii kubitowych, z których każda ma swoje zalety i wady. W większości jest to realizowane przez różne grupy badawcze w ramach Narodowego Centrum Kompetencji w zakresie Nauki i Technologii Kwantowych (QSIT). Jeśli naukowcom uda się z powodzeniem połączyć dwa z tych systemów przy użyciu grafenu, możliwe będzie również połączenie ich zalet. „Rezultatem będą dwa różne układy kwantowe na tym samym krysztale”, mówi Enslin.

Stworzyłoby to również nowe możliwości badań nad nadprzewodnictwem. „Dzięki zastosowaniu tych komponentów możemy być w stanie lepiej zrozumieć, w jaki sposób pojawiło się nadprzewodnictwo w grafenie” – dodaje. „Dzisiaj wiemy tylko, że w tym materiale występują różne fazy nadprzewodnictwa, ale nie mamy jeszcze modelu teoretycznego, który by to wyjaśniał”.