Для производства современных электронных компонентов требуются материалы с самыми разными свойствами. Есть, например, изоляторы, которые не проводят электрический ток, и сверхпроводники, которые переносят его без потерь. Чтобы получить определенную функциональность компонента, обычно необходимо соединить несколько таких материалов вместе. Часто это непросто, особенно когда речь идет о наноструктурах, которые сегодня широко используются.
Группе исследователей из ETH Zurich во главе с Клаусом Энслином и Томасом Ином из Лаборатории физики твердого тела теперь удалось заставить материал вести себя поочередно как изолятор или как сверхпроводник — или даже как оба в разных местах одного и того же материала — просто приложив электрическое напряжение. Их результаты опубликованы в научном журнале Nature Nanotechnology. Работа поддержана Национальным центром компетенций в исследованиях QSIT (Quantum Science and Technology).
Графен под магическим углом
Материал, который используют Энслин и его сотрудники, носит несколько громоздкое название «Волшебный угол, закрученный двухслойный графен». На самом деле за этим названием скрывается что-то довольно простое и известное, а именно углерод, правда, в особой форме и с особым изюминкой.
Отправной точкой для материала являются чешуйки графена, которые представляют собой углеродные слои толщиной всего в один атом. Исследователи поместили два из этих слоев друг на друга так, чтобы их кристаллические оси не были параллельны, а образовали «магический угол» ровно 1,06 градуса. «Это довольно сложно, и нам также необходимо точно контролировать температуру хлопьев во время производства. В результате все часто идет не так, — объясняет Питер Рикхаус, который участвовал в экспериментах в качестве постдока.
Однако в двадцати процентах попыток это срабатывает, и атомные кристаллические решетки чешуек графена создают так называемый муаровый узор, в котором электроны материала ведут себя иначе, чем в обычном графене. Узоры муара знакомы, например, по телевидению, где взаимодействие между узорчатым предметом одежды и линиями развертки телевизионного изображения может привести к интересным оптическим эффектам. Поверх хлопьев графена с магическим углом исследователи прикрепляют несколько дополнительных электродов, которые они могут использовать для подачи электрического напряжения на материал. Когда они затем охлаждают все до нескольких сотых градуса выше абсолютного нуля, происходит нечто замечательное. В зависимости от приложенного напряжения, хлопья графена ведут себя двумя совершенно противоположными способами: либо как сверхпроводник, либо как изолятор. Эта переключаемая сверхпроводимость уже была продемонстрирована в 2018 году в Массачусетском технологическом институте (MIT) в США. Даже сегодня только несколько групп по всему миру могут производить такие образцы.
Изолятор и сверхпроводник из одного материала
Энслин и его коллеги делают еще один шаг вперед. Подавая разные напряжения на отдельные электроды, они превращают графен с магическим углом в изолятор в одном месте, но на несколько сотен нанометров с одной стороны он становится сверхпроводником.
«Когда мы это увидели, мы, очевидно, сначала попытались реализовать соединение Джозефсона», — говорит Фокко де Врис, который также является постдоком в лаборатории Энсслинса. В таких переходах два сверхпроводника разделены тонким диэлектрическим слоем. Таким образом, ток не может течь напрямую между двумя сверхпроводниками, а скорее должен проходить квантово-механический туннель через изолятор. Это, в свою очередь, приводит к изменению проводимости контакта в зависимости от тока характерным образом, в зависимости от того, используется ли постоянный или переменный ток.
Возможные применения в квантовых технологиях
Исследователям ETH удалось создать джозефсоновский переход внутри чешуек графена, закрученных на магический угол, используя разные напряжения, приложенные к трем электродам, а также измерить его свойства. «Теперь, когда это сработало, мы можем попробовать свои силы в более сложных устройствах, таких как SQUID», — говорит де Врис. В СКВИДах («сверхпроводящем квантовом интерференционном устройстве») два джозефсоновских перехода соединены в кольцо. Практическое применение таких устройств включает измерения крошечных магнитных полей, а также современные технологии, такие как квантовые компьютеры. Для возможного использования в квантовых компьютерах интересным аспектом является то, что с помощью электродов чешуйки графена могут быть превращены не только в изоляторы и сверхпроводники, но также и в магниты или так называемые топологические изоляторы, в которых ток может течь только в одном направлении по краю материала. Это можно использовать для реализации различных видов квантовых битов (кубитов) в одном устройстве.
Клавиатура для материалов
«Однако пока это только предположения», — говорит Энслин. Тем не менее, он с энтузиазмом относится к возможностям, которые открывает электрическое управление даже сейчас. «С помощью электродов мы практически можем играть на пианино на графене». Среди прочего, физики надеются, что это поможет им по-новому взглянуть на подробные механизмы, которые вызывают сверхпроводимость в графене с магическим углом.
Иллюстрация: Материальная клавиатура, созданная исследователями ETH Zurich. Применяя электрические напряжения («ключи») в разных точках, графен под магическим углом может стать локально сверхпроводящим (электронные пары) или изолирующим (барьер справа). (Изображение: ETH Zurich / F. de Vries)