Taikamateriaali moneksi elektroniseksi rakenteeksi

Taiteellinen esitys yhden uuden MIT-nanolaitteen nanoskooppisesta rakenteesta. Kahta hieman toisiinsa kiertynyttä grafeenilevyä edustavat metallin siniset hiiliatomit hunajakennohilassa. Grafeenin ylä- ja alapuolella olevat elektrodit (portit) on esitetty kullalla. Elektroneja edustavat pienemmät vaaleansiniset pallukat.

MIT:n tutkijat ja kollegat ovat muuttaneet "maagisen" materiaalin, joka koostuu atomin ohuista kierretyistä hiilikerroksista, kolmeksi hyödylliseksi elektroniseksi rakenteeksi.

Normaalisti tällaiset laitteet luodaan käyttämällä erilaisia materiaaleja, jotka vaativat useita valmistusvaiheita.

”Tässä työssä olemme osoittaneet, että taikakulman grafeeni on monipuolisin kaikista suprajohtavista materiaaleista, minkä ansiosta voimme toteuttaa yhdessä järjestelmässä lukuisia kvanttielektroniikan piirirakenteita. Tämän kehittyneen alustan avulla olemme päässeet ensimmäistä kertaa tutkimaan uutta suprajohtavaa fysiikkaa, joka esiintyy vain kahdessa ulottuvuudessa”, sanoo fysiikan professori Pablo Jarillo-Herrero.

Taikakulmalla kierretty kaksikerroksinen grafeeni (MATBG), on herättänyt vahvaa kiinnostusta tutkimusyhteisössä ja inspiroinut jopa uutta kenttää, joka tunnetaan nimellä twistronics.

Vuonna 2018 Jarillo-Herrero ja työtoverit muuttivat taikamateriaaliin syötettyä jännitettä yhden elektrodin kautta. Tässä työssä "otimme käyttöön useita portteja materiaalien eri alueiden altistamiseksi erilaisille sähkökentille", kertoo fysiikan jatko-opiskelija Daniel Rodan-Legrain.

Yhtäkkiä ryhmä pystyi virittämään saman maagisen materiaalin eri osiot useiksi elektronisiksi tiloiksi suprajohteesta eristykseen ja jonnekin siltä väliltä. Sitten, soveltamalla portteja eri kokoonpanoissa, he pystyivät toistamaan kaikki elektronisen piirin osat, jotka tavallisesti luotaisiin täysin erilaisilla materiaaleilla.

He käyttivätkin menettelyä luodakseen kolme erilaista toimivaa kvanttielektroniikkarakennetta. Näihin kuului Josephson-liitos tai suprajohtava kytkin, jota käytetään esimerkiksi suprajohtavien kubittien rakenneosana. Tiimi loi myös suprajohtavuuden tutkimuksessa käytettävän spektroskooppisen tunnelointirakenteen ja yksielektronisen transistorin eli erittäin herkän piirin sähkön liikkeen hallitsemiseksi, kirjaimellisesti yksi elektroni kerrallaan. Nämä kaikki osarakenteet voidaan konfiguroida uudelleen muuttamalla yksinkertaisesti portin jännitteitä.

Tutkimussaavutus avaa tietä monille mahdollisille tulevaisuuden edistysaskeleille. Esimerkiksi Rodan-Legrain sanoo, että sitä voitaisiin käyttää luomaan ensimmäinen jännitteellä viritettävä kubitti yhdestä materiaalista, jota voitaisiin käyttää tulevissa kvanttitietokoneissa.

Lisäksi, koska uusi järjestelmä mahdollistaa tarkemmat tutkimukset arvoituksellisesta suprajohtavuudesta MATBG:ssä ja sen kanssa on suhteellisen helppo työskennellä, tutkijatiimi toivoo voivansa antaa oivalluksia korkean lämpötilan suprajohteiden luomisesta.

Aiheesta aiemmin:

Twistroniikkaa paksummillakin materiaaleilla

Viritettävää suprajohtavuutta

Uusia yllätyksiä kaksiulotteisista