MIT verandert ‘magisch’ materiaal in veelzijdige elektronische apparaten

In een prestatie die een laboratorium waardig is, bedacht door JK Rowling, hebben MIT-onderzoekers en collega’s een “magisch” materiaal dat is samengesteld uit atomair dunne koolstoflagen, omgezet in drie bruikbare elektronische apparaten. Normaal gesproken worden dergelijke apparaten, die allemaal essentieel zijn voor de kwantumelektronica-industrie, gemaakt met behulp van een verscheidenheid aan materialen die meerdere fabricagestappen vereisen. De MIT-benadering lost automatisch een verscheidenheid aan problemen op die verband houden met die meer gecompliceerde processen.

Als gevolg hiervan zou het werk een nieuwe generatie kwantumelektronische apparaten kunnen inluiden voor toepassingen zoals kwantumcomputers. Verder kunnen de apparaten supergeleidend zijn of elektriciteit zonder weerstand geleiden. Ze doen dit echter via een onconventioneel mechanisme dat, met verder onderzoek, nieuwe inzichten zou kunnen geven in de fysica van supergeleiding. De onderzoekers rapporteren hun resultaten in de uitgave van 3 mei 2021 Natuur Nanotechnologie.

“In dit werk hebben we aangetoond dat grafeen met een magische hoek de meest veelzijdige van alle supergeleidende materialen is, waardoor we in een enkel systeem een ​​groot aantal kwantumelektronische apparaten kunnen realiseren. Met behulp van dit geavanceerde platform hebben we voor het eerst kunnen verkennen nieuwe supergeleidende fysica die slechts in twee dimensies voorkomt ”, zegt Pablo Jarillo-Herrero, de Cecil en Ida Green hoogleraar natuurkunde aan het MIT en leider van het werk. Jarillo-Herrero is ook aangesloten bij het Materials Research Laboratory van MIT.

Een magische hoek

Het nieuwe “magische” materiaal is gebaseerd op grafeen. Grafeen is samengesteld uit een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in zeshoeken die lijken op een honingraatstructuur. Pas ongeveer 17 jaar geleden ontdekt, heeft het een scala aan geweldige eigenschappen. Het is bijvoorbeeld sterker dan diamant, transparant en flexibel. Het geleidt ook gemakkelijk zowel warmte als elektriciteit.

In 2018 deed de Jarillo-Herrero-groep een verrassende ontdekking met twee lagen grafeen, de ene bovenop de andere. Die lagen lagen echter niet precies op elkaar; in plaats daarvan werd er een lichtjes geroteerd onder een “magische hoek” van 1,1 graden.

Door de resulterende structuur kon het grafeen ofwel een supergeleider of een isolator zijn (die de stroom van elektrische stroom verhindert), afhankelijk van het aantal elektronen in het systeem zoals geleverd door een elektrisch veld. In wezen was het team in staat om grafeen in totaal verschillende toestanden af ​​te stemmen door de spanning te veranderen met een draai aan een knop.

Het algehele “magische” materiaal, formeel bekend als magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG), heeft een intense belangstelling gewekt bij de onderzoeksgemeenschap en heeft zelfs een nieuw veld geïnspireerd (twistronics). Het vormt ook de kern van het huidige werk.

In 2018 veranderden Jarillo-Herrero en collega’s de spanning die via een enkele elektrode of een metalen poort aan het magische materiaal werd geleverd. In het huidige werk “hebben we meerdere poorten geïntroduceerd om verschillende delen van het materiaal aan verschillende elektrische velden te onderwerpen”, zegt Daniel Rodan-Legrain, een afgestudeerde student natuurkunde en hoofdauteur van de Natuur Nanotechnologie papier.

Plots was het team in staat om verschillende secties van hetzelfde magische materiaal af te stemmen op een overvloed aan elektronische toestanden, van supergeleidend tot isolerend tot ergens daartussenin. Door poorten in verschillende configuraties toe te passen, waren ze in staat om alle onderdelen van een elektronische schakeling te reproduceren die normaal gesproken met totaal verschillende materialen zouden worden gemaakt.

Werkende apparaten

Uiteindelijk gebruikte het team deze aanpak om drie verschillende werkende kwantumelektronica te maken. Deze apparaten bevatten een Josephson-junctie of supergeleidende schakelaar. Josephson-knooppunten zijn de bouwstenen van de kwantumbits, of qubits, achter supergeleidende kwantumcomputers. Ze hebben ook een verscheidenheid aan andere toepassingen, zoals opname in apparaten die zeer nauwkeurige metingen van magnetische velden kunnen uitvoeren.

Het team creëerde ook twee gerelateerde apparaten: een spectroscopisch tunnelapparaat en een transistor met één elektron, of een zeer gevoelig apparaat om de beweging van elektriciteit te regelen, letterlijk één elektron tegelijk. De eerste is de sleutel tot het bestuderen van supergeleiding, terwijl de laatste een verscheidenheid aan toepassingen heeft, deels vanwege de extreme gevoeligheid voor elektrische velden.

Alle drie de apparaten profiteren van het feit dat ze zijn gemaakt van een enkel elektrisch afstembare materiaal. Degenen die conventioneel zijn gemaakt, van meerdere materialen, hebben te maken met verschillende uitdagingen. Verschillende materialen kunnen bijvoorbeeld incompatibel zijn. “Als je nu met één enkel materiaal te maken hebt, verdwijnen die problemen”, zegt Rodan-Legrain.

William Oliver, een universitair hoofddocent aan het MIT bij de afdeling Elektrotechniek en Computerwetenschappen die niet bij het onderzoek betrokken was, zegt:

“MATBG heeft de opmerkelijke eigenschap dat de elektrische eigenschappen ervan – metaalachtig, supergeleidend, isolerend, enz. – kunnen worden bepaald door een spanning op een nabijgelegen poort aan te leggen. In dit werk hebben Rodan-Legrain et al. Aangetoond dat ze nogal ingewikkeld kunnen maken apparaten die supergeleidende, normale en isolerende gebieden omvatten door elektrische poort van een enkele vlok MATBG. De conventionele benadering zou zijn om het apparaat in verschillende stappen te fabriceren met verschillende materialen. Met MATBG zijn de resulterende apparaten volledig herconfigureerbaar door simpelweg de poortspanningen te veranderen . “

Op weg naar de toekomst

Het werk dat wordt beschreven in de Nature Nanotechnology-paper maakt de weg vrij voor veel mogelijke toekomstige vorderingen. Bijvoorbeeld, zegt Rodan-Legrain, het zou kunnen worden gebruikt om de eerste voltage-tunable qubit te maken van een enkel materiaal, die zou kunnen worden toegepast in toekomstige kwantumcomputers.

Bovendien, omdat het nieuwe systeem meer gedetailleerde studies van de raadselachtige supergeleiding in MATBG mogelijk maakt en relatief gemakkelijk is om mee te werken, hoopt het team dat het inzicht zou kunnen verschaffen in de creatie van hogetemperatuursupergeleiders. De huidige supergeleiders werken alleen bij zeer lage temperaturen. “Dat is eigenlijk een van de grote verwachtingen [behind our magic material]”, zegt Rodan-Legrain.” Kunnen we het gebruiken als een soort Rosetta-steen “om zijn hoge temperatuur neven beter te begrijpen?

In een glimp van hoe wetenschap werkt, beschrijft Rodan-Legrain de verrassingen die het team tegenkwam tijdens het uitvoeren van het onderzoek. Sommige gegevens van de experimenten kwamen bijvoorbeeld niet overeen met de aanvankelijke verwachtingen van het team. Dat komt omdat de Josephson-knooppunten die ze creëerden met behulp van atomair dunne MATGB tweedimensionaal waren en dus een opmerkelijk ander gedrag vertoonden dan hun conventionele 3D-tegenhangers. “Het was geweldig om de gegevens door te laten komen, ze te zien, erover in verwarring te raken en vervolgens beter te begrijpen en te begrijpen wat we zagen.”

Naast Jarillo-Herrero en Rodan-Legrain zijn andere auteurs van het artikel Yuan Cao, een postdoctoraal medewerker in het Materials Research Laboratory (MRL) van MIT; Jeong Min Park, een afgestudeerde student aan het Departement Chemie; Sergio C. de la Barrera, postdoctoraal medewerker bij de MRL; Mallika T. Randeria, een postdoctoraal onderzoeker van Pappalardo bij de afdeling natuurkunde; en Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi, beiden van het National Institute for Materials Science in Japan. (Rodan-Legrain, Cao en Park leverden evenveel bijdragen aan de krant.)