MITの研究者や同僚たちは、原子的に薄い炭素層で構成された「魔法」の物質を、3つの有用な電子デバイスに切り替えました。 一般的に、量子エレクトロニクス産業の中核である、これらのデバイスは、いくつかの製造段階が必要な様々な材料を使用して生成されます。 MITのアプローチは、より複雑なプロセスに関連するさまざまな問題を自動的に解決します。
その結果、この作業は、量子コンピューティングを含むアプリケーションのための次世代の代わりの電子デバイスをインポートすることができます。 また、デバイスは、超伝導または抵抗なしに電気を伝導することができます。 しかし、彼らはより多くの研究を通じて超伝導の物理学の新たな洞察を与えることができる、非伝統的なメカニズムを介してそのようにします。 研究者は、彼らの結果を5月3日号 自然ナノテクノロジー。
「この研究では、我々は、マジックアングルグラフェンは、すべての超伝導物質の中で最も汎用性であることを示してくれた、私たちは、単一のシステムで多数の両者の電子デバイスを実現することができます。 この高度なプラットフォームを使用して、我々は最初の2次元的にしか表示され、新しい超伝導の物理学を探求することができました。」とMITのCecilとIda Green物理学の教授であり、研究責任者であるPablo Jarillo-Herreroは言う。 Jarillo-HerreroはまたMITの材料研究室と連携しています。
魔法の角度
新しい「魔法」の材料は、ハニカム構造に似た六角形に配列された炭素原子の単一層であるグラフェンに基づいています。 2004年グラフェンを初めて明確しないように分離したイレロイ物質への関心は、固有の特性のために急増しました。 たとえば、ダイヤモンドよりも強く、透明で柔軟です。 また、熱と電気を簡単に伝導します。
2018年Jarillo-Herreroグループは、2つのグラフェン層を含む驚くべき発見をしました。 しかし、これらの層は、正確に互いの上にいました。 むしろ一つは、1.1度の “魔法の角度」にわずかに回転された。
その結果、グラフェンは、電界によって提供されるシステムの電子数に応じて、超伝導体または絶縁体（電流の流れを防止）することができました。 基本的にはチームは、ノブを回す際の電圧を変更して、グラフェンを完全に別の状態に調整することができました。
正式にマジックアングルツイスト二重層グラフェン（MATBG）として知られて完全な “魔法”の材料は、研究コミュニティで強烈な関心を呼び起こしたウィストロニックと呼ばれる新しい分野を促した。 現在の作業の中核でもあります。
2018年Jarillo-Herreroと同僚は、単一の電極または金属ゲートを介して魔法の物質に供給される電圧を変更しました。 現在の研究では、「私たちは、材料の他の領域に他の電界を適用するために、複数のゲートを導入しました。」と物理学の大学院生であり、論文の主著者であるDaniel Rodan-Legrainは言う。 自然ナノテクノロジー 紙。
突然チームは、同じ魔法の物質の他の部分を超伝導で絶縁、その間のどこかに至るまで、余分な電子状態に調整することができました。 その後、他の構成で、ゲートを適用して、一般的には完全に別の材料で作成された電子回路のすべての部分を再現することができました。
動作装置
最終的にはチームは、このアプローチを使用して、3つの異なる動作する量子エレクトロニクス装置を作りました。 これらのデバイスには、Josephson接合または超伝導スイッチが含まれます。 ジョセフソン接合は、超伝導量子コンピュータの背後にある、量子ビットまたはキュービットの構成要素です。 また、磁場を非常に精密に測定することができるデバイスに統合するような様々な他の応用分野を持っています。
チームはまた、2つの関連装置、すなわち分光トンネル装置と、単一の電子トランジスタや電気の移動を制御する非常に敏感なデバイス（文字通り、一度に1つの電子）を作成しました。 電子は、超伝導の研究の中心であり、後者は、電界の極度の感度により、さまざまな応用分野を持っています。
三デバイスの両方電気的に調整可能な単一の材料で作られている利点があります。 伝統的に、複数の材料で作られた製品は、さまざまな問題を抱えています。 例えば、他の材料は、互換性がない可能性があります。 Rodan-Legrainは「今では資料を大事にすれば、これらの問題が消えます。
研究に参加していない電気工学とコンピュータ科学のMIT准教授であるWilliam Oliverは、次のように述べています。」MATBGは金属、超伝導、絶縁などの電気的特性は、次のによって決定することができているという驚くべき特性を持っています。 近くのゲートに電圧を適用します。 この作業でRodan-Legrain et al。 MATBGの単一フレークの電気ゲートによって超伝導、上および絶縁領域で構成され、やや複雑な装置を作ることができていることを示しました。 従来のアプローチは様々な材料を使用して、複数の段階に装置を製作することです。 MATBGを使用すると、ゲート電圧を変更するだけで、結果のデバイスを完全に再構築することができます。 “
未来に向かって
に説明されたタスク 自然ナノテクノロジー 紙は、多くの潜在的な将来の発展のための道を拭きます。 たとえばRodan-Legrainは、単一の物質で最初の電圧調整可能キュービットを生成するために使用することができ、これは、将来の量子コンピュータに適用されることができると言います。
また、新しいシステムは、MATBGの謎のような超伝導のより詳細な研究を可能にし、比較的作業しやすいので、チームは、高温超伝導体の生成についての洞察を得ることができることを希望します。 現在超伝導体は、非常に低い温度でのみ動作することができます。 「それは実際に大きな希望の一つです。 [behind our magic material]「Rodan-Legrainが言います。 高温のいとこをよりよく理解するために、「ロゼッタストーンのようなものとして使用することができますか？」
Rodan-Legrainは、科学の動作を垣間見るときの研究を行う中、チームが経験した驚きを説明します。 例えば、実験データの一部は、チームの初期期待値と一致していない。 原子的に薄いMATGBを使用して作成されたJosephson接合が2次元なので、既存の3D接合と著しく異なる動作を見せたからです。 「データを配信して見て見て慌てた次の私たちが見コンテンツをより理解し、理解することは大変でした。」
Jarillo-HerreroとRodan-Legrainのほか、論文の追加著者は、MITの材料研究室（MRL）のポスドクであるYuan Caoです。 化学大学院生パク・ジョンミン、 MRLのポスドク研究員であるSergio C. de la Barrera; 物理学のPappalardoポスドク研究員であるMallika T. Randeria; 日本の国立材料科学研究所のKenji WatanabeとTakashi Taniguchi。 （Rodan-Legrain、CaoとParkは、この論文に均等に貢献しました。）
この作業は、米国国立科学財団、アメリカエネルギー省、米陸軍研究所、FundacióBancaria「la Caixa “、GordonとBetty Moore財団は、FundaciónRamon Areces、MIT Pappalardo Fellowshipと日本の文部科学省（MEXT）。
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