全球首個(gè)石墨烯超導量子干涉裝置面世

IT之家 11 月 7 日消息，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué) (ETH) 的恩斯林（Ensslin）團隊利用石墨烯，制造出了首個(gè)超導量子干涉裝置，用于演示超導準粒子的干涉。這大大擴展了碳石墨烯的用途范圍。

相關(guān)論文已經(jīng)發(fā)表在《自然?納米技術(shù)》上，DOI：10.1038/s41565-022-01222-0。這一研究成果有望促進(jìn)量子技術(shù)的發(fā)展，也為超導研究開(kāi)辟了新的可能性。

2004 年，康斯坦丁?諾沃肖洛夫 (Konstantin Novoselov) 和安德烈?海姆 (Andre Geim) 首次創(chuàng )造了僅由一層碳原子組成的二維晶體。這種材料被命名為石墨烯，自此引發(fā)廣泛關(guān)注并獲得大力發(fā)展。石墨烯是目前已知最薄、強度最高、導電導熱性能最好的新型納米材料。隨著(zhù)研究的不斷深入，其更多特性也一一浮出水面。

現在，ETH 研究人員首次從雙層扭轉石墨烯中制備出了超導元件，即 SQUID (超導量子干涉器件)，用于演示超導準粒子的干涉。在量子技術(shù)中，這些敏感的傳感器被用作量子比特 (qubits)。這些基本元素可用于執行量子運算和構建更復雜的電路。

根據官方新聞稿，這個(gè)成果首先建立在 ETH 固態(tài)物理實(shí)驗室的 Klaus Ensslin 和 Thomas Ihn 團隊的研究工作之上。IT之家了解到，他們大約一年前就已經(jīng)證明，扭轉雙層石墨烯可用于制造超導設備的基本組成部分約瑟夫森結 (Josephson junction)。

然而，研究人員并不滿(mǎn)足于將他們這種突破，因為這些石墨烯 SQUID 相比傳統的鋁制 SQUID 也沒(méi)有太大優(yōu)勢，而且和傳統 SQUID 一樣的是它也必須冷卻到接近絕對零度的水平（絕對零度以上 2 度）。

根據恩斯林的說(shuō)法，它們明顯擴大了應用范圍:“五年前，我們已經(jīng)能夠證明石墨烯可以用于制造單電子晶體管?，F在我們又在其中增加了超導性?！?/p>

根據施加的電壓，石墨烯可以在絕緣、導電、超導三種狀態(tài)之間變化。此外，現在這一結果表明我們可以在單一材料中結合半導體的晶體管和超導體制成新型 SQUID。

恩斯林指出，“在量子技術(shù)中，SQUID 可以容納量子比特，因此可用作執行量子操作的元件。此外，通常情況下，晶體管由硅制成，SQUID 由鋁制成，不同材料需要不同加工技術(shù)，但現在它們都可由石墨烯制成?！?/p>

按照 Ensslin 的說(shuō)法，他們未來(lái)的研究將專(zhuān)注于在同一晶體上使用石墨烯來(lái)結合兩種量子系統的優(yōu)點(diǎn)。

恩斯林補充道，石墨烯內存在不同的超導相，但還沒(méi)有一個(gè)理論模型來(lái)解釋它們。最新成果也將為超導研究帶來(lái)新的可能性，有了這些組件，也許能更好地理解石墨烯中的超導性是如何產(chǎn)生的。