一种由石墨烯制成的新型量子元件

诸平

Credit: CC0 Public Domain

据瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）2022年11月3日报道，科学家已经用石墨烯制成了的一种新型量子元件（A new quantum component made from graphene）。

20年前，康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)和安德烈·海姆(Andre Geim)首次创造了仅由一层碳原子组成的二维晶体。康斯坦丁·诺沃肖洛夫和安德烈·海姆分享了2010年诺贝尔物理学奖（The Nobel Prize in Physics 2010），获奖原因是在二维石墨烯材料的开创性实验方面的贡献。这种被称为石墨烯的材料从那时起就有了相当大的发展。

由于其特殊的强度，石墨烯（graphene）今天被用于加固诸如网球拍、汽车轮胎或飞机机翼等产品。但对于基础研究（fundamental research）来说，这也是一个有趣的课题，因为物理学家不断发现在其他材料中没有观察到的新的、令人震惊的现象。

正确的扭转（The right twist）

双层石墨烯晶体（Bilayer graphene crystals），其中两个原子层相对于彼此轻微旋转，这对研究人员来说特别有趣。大约一年前，苏黎世联邦理工学院固态物理实验室（ETH Zurich's Laboratory for Solid State Physics）的克劳斯·恩斯林（Klaus Ensslin）和托马斯·伊恩（Thomas Ihn）领导的研究团队证明，扭曲的石墨烯可以用来制造约瑟夫森结（Josephson junctions），这是超导器件的基本组成部分。

基于这项工作，研究人员现在能够用扭曲的石墨烯制作出第一个超导量子干涉装置(superconducting quantum interference device简称SQUID)，用于演示超导准粒子的干涉。传统的SQUID已经被用于医学、地质学和考古学等领域。它们灵敏的传感器能够测量磁场中哪怕是最小的变化。然而，SQUID只能与超导材料协同工作，因此在工作时需要用液氦或液氮冷却。

在量子技术中，SQUID可以承载量子比特(qubits);也就是说，作为进行量子运算的元素。

“SQUID之于超导，就像晶体管之于半导体技术（semiconductor technology），是更复杂电路的基本组成部分，”克劳斯·恩斯林解释道。

范围正在扩大（The spectrum is widening）

由博士生埃利亚斯·波托莱斯（Elías Portolés）发明的石墨烯SQUID并不比传统的铝制SQUID更敏感，而且必须冷却到绝对零度以上2度以下的温度。“所以这并不是SQUID技术的一个突破，”克劳斯·恩斯林说。然而，它确实大大拓宽了石墨烯的应用范围。“五年前，我们已经能够证明石墨烯可以用来制造单电子晶体管（single-electron transistors）。现在我们又增加了超导性，”克劳斯·恩斯林说。

值得注意的是，石墨烯的行为可以通过电极的偏压以有针对性的方式控制。根据所施加电压的不同，这种材料可以是绝缘的、导电的或超导的。克劳斯·恩斯林说:“我们可以利用固态物理（solid-state physics）提供的丰富光谱。”

同样有趣的是，半导体(晶体管)和超导体(SQUID)的两种基本组成部分现在可以组合在一种材料中。这使得构建新的控制操作成为可能。克劳斯·恩斯林说：“通常情况下，晶体管由硅制成，而SQUID由铝制成，不同的材料需要不同的加工技术。”

一种极具挑战性的生产过程（An extremely challenging production process）

五年前，麻省理工学院（MIT）的一个研究小组发现了石墨烯的超导性，但全世界只有十几个实验小组在研究这一现象。能够将超导石墨烯转化为功能元件的人更少。

挑战在于，科学家们必须一个接一个地完成几个精细的工作步骤:首先，他们必须使石墨烯薄片彼此之间的相对角度精确地对齐。接下来的步骤包括连接电极和蚀刻孔。如果石墨烯被加热，就像在洁净室处理过程中经常发生的那样，两层重新排列，扭曲角就消失了。“整个标准半导体技术必须重新调整，这是一项极具挑战性的工作，”埃利亚斯·波托莱斯说。

混合系统的愿景（The vision of hybrid systems）

克劳斯·恩斯林想得比别人早一步。目前，人们正在评估各种不同的量子位技术，每种技术都有自己的优点和缺点。在很大程度上，这是由国家量子科学与技术能力中心(National Center of Competence in Quantum Science and Technology简称QSIT)内的各个研究小组完成的。如果科学家们成功地利用石墨烯将这两个系统结合起来，那么将它们的优势也结合起来是可能的。“结果将是同一晶体上的两个不同的量子系统，”克劳斯·恩斯林说。

这也将为超导研究带来新的可能性。他补充说:“有了这些成分，我们也许能更好地理解石墨烯的超导性最初是如何产生的。我们今天所知道的是，这种材料中有不同的超导相，但我们还没有一个理论模型来解释它们。”

这项研究于2022年10月24日已经在《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志网站发表——Elías Portolés, Shuichi Iwakiri, Giulia Zheng, Peter Rickhaus, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Thomas Ihn, Klaus Ensslin, Folkert K. de Vries. A tunable monolithic SQUID in twisted bilayer graphene. Nature Nanotechnology, Published: 24 October 2022. DOI: 10.1038/s41565-022-01222-0. https://dx.doi.org/10.1038/s41565-022-01222-0

参与此项研究的除了来自苏黎世联邦理工学院的研究人员之外，还有来自日本国立材料科学研究所（National Institute for Materials Science, Tsukuba, Japan）的研究人员。

本研究得到了欧洲石墨烯旗舰机构（European Graphene Flagship）、ERC协同拨款Quantropy（ERC Synergy Grant Quantropy）、欧盟的地平线2020研究和创新项目(European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement number 862660/QUANTUM E LEAPS)、瑞士国家科学基金会（Swiss National Science Foundation: NCCR QSIT）、日本文部科学省(MEXT, Japan grant number JPMXP0112101001)、日本学术振兴会（JSPS KAKENHI grant numbers 19H05790, 20H00354 and 21H05233）、以及来自储蓄银行基金会(‘la Caixa’ Foundation)奖学金（fellowship code LCF/BQ/EU19/11710062）的支持。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

A material keyboard made of graphene

Abstract

Magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) hosts a number of correlated states of matter that can be tuned by electrostatic doping^1,2,3,4. Transport^5,6 and scanning-probe^7,8,9 experiments have shown evidence for band, correlated and Chern insulators along with superconductivity. This variety of in situ tunable states has allowed for the realization of tunable Josephson junctions^10,11,12. However, although phase-coherent phenomena have been measured^10,11,12, no control of the phase difference of the superconducting condensates has been demonstrated so far. Here we build on previous gate-defined junction realizations and form a superconducting quantum interference device¹³ (SQUID) in MATBG, where the superconducting phase difference is controlled through the magnetic field. We observe magneto-oscillations of the critical current, demonstrating long-range coherence of superconducting charge carriers with an effective charge of 2e. We tune to both asymmetric and symmetric SQUID configurations by electrostatically controlling the critical currents through the junctions. This tunability allows us to study the inductances in the device, finding values of up to 2 μH. Furthermore, we directly probe the current–phase relation of one of the junctions of the device. Our results show that complex devices in MATBG can be realized and used to reveal the properties of the material. We envision our findings, together with the established history of applications SQUIDs have^14,15,16, will foster the development of a wide range of devices such as phase-slip junctions¹⁷ or high kinetic inductance detectors¹⁸.