Grafeenin avulla "transistori" suprajohtavuudelle

ETH Zürichin tutkijat ovat ensimmäistä kertaa pystyneet valmistamaan grafeenista suprajohtavan komponentin, joka on kvanttikoherentti ja herkkä magneettikentille. Tämä vaihe avaa mielenkiintoisia näkymiä perustutkimukselle.

Kaksikerroksiset grafeenikiteet, joissa kaksi atomikerrosta ovat hieman kiertyneet toisiinsa nähden, ovat erityisen kiinnostavia tutkijoille. Noin vuosi sitten Klaus Ensslinin ja Thomas Ihnin johtama tutkijaryhmä pystyi osoittamaan, että kierrettyä grafeenirakennetta (MATBG) voidaan käyttää suprajohtavien Josephson-liitosten rakenteiden luomiseen (kuva).

Aiemman työnsä perusteella tutkijat pystyivät nyt valmistamaan ensimmäisen suprajohtavan kvantti-interferenssi- tai SQUID-rakenteen kierretystä grafeenista osoittaakseen suprajohtavien kvasihiukkasten interferenssiä.

Perinteisiä SQUIDeja käytetään jo esimerkiksi lääketieteessä, geologiassa ja arkeologiassa. Ne toimivat kuitenkin vain suprajohtavien materiaalien kanssa, joten ne vaativat käytön aikana jäähdytystä nestemäisellä heliumilla tai typellä.

Kvanttiteknologiassa SQUIDit voivat isännöidä kvanttibittejä. "SQUIDit ovat suprajohtavuudelle samat kuin transistorit puolijohdeteknologialle – monimutkaisempien piirien perusrakenneosia", Ensslin selittää.

Tohtoriopiskelija Elías Portolesin luomat grafeeni SQUIDit eivät ole sen herkempiä kuin perinteiset alumiinista valmistetut vastineet ja ne on myös jäähdytettävä alle 2 asteeseen absoluuttisen nollan yläpuolelle.

"Tämä ei siis ole SQUID-teknologian läpimurto sinänsä", Ensslin sanoo. Se kuitenkin laajentaa grafeenin käyttöaluetta merkittävästi. "Viisi vuotta sitten pystyimme osoittamaan, että grafeenia voidaan käyttää yksielektronitransistoreiden rakentamiseen. Nyt olemme lisänneet siihen suprajohtavuutta”, Ensslin sanoo.

Merkittävää on, että grafeenin käyttäytymistä voidaan ohjata elektrodin esijännitteellä. Siitä riippuen materiaali voi olla eristävää, johtavaa tai suprajohtavaa.

Mielenkiintoista on myös se, että puolijohteen (transistorin) ja suprajohteen (SQUID) kaksi perusrakenneosaa voidaan nyt yhdistää yhdeksi materiaaliksi. Tämä mahdollistaa uudenlaisten ohjaustoimintojen rakentamisen.

Ensslin ajattelee askeleen eteenpäin. Tällä hetkellä arvioidaan useita erilaisia tekniikoita kubiteille, joista jokaisella on omat etunsa ja haittansa.

Jos tutkijat onnistuvat yhdistämään kaksi näistä järjestelmistä grafeenin avulla, saattaa olla mahdollista yhdistää myös niiden edut. "Tuloksena olisi kaksi erilaista kvanttijärjestelmää samassa kiteessä", Ensslin sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Viritettävää suprajohtavuutta