I fisici del RIKEN hanno sviluppato un dispositivo elettronico che ospita stati insoliti della materia, che un giorno potrebbero essere utili per il calcolo quantistico.
Quando un materiale esiste come strato ultrasottile – spesso solo uno o pochi atomi – ha proprietà totalmente diverse da campioni più spessi dello stesso materiale. Questo perché confinare gli elettroni su un piano 2D dà origine a stati esotici. Grazie alle loro dimensioni piatte e alla loro ampia compatibilità con le tecnologie dei semiconduttori esistenti, tali materiali 2D sono promettenti per sfruttare nuovi fenomeni nei dispositivi elettronici.
Questi stati includono gli isolanti Hall a spin quantistico, che conducono l’elettricità lungo i bordi ma sono elettricamente isolanti all’interno. Tali sistemi, se accoppiati con la superconduttività, sono stati proposti come un percorso verso l'ingegneria di stati superconduttori topologici che hanno una potenziale applicazione nei futuri computer quantistici topologici.
Ora, Michael Randle del RIKEN Advanced Device Laboratory, insieme ai colleghi di RIKEN e Fujitsu, hanno creato una giunzione Josephson 2D con componenti attivi interamente realizzati con un materiale noto per essere un isolante Hall a spin quantistico. Il lavoro è pubblicato sulla rivista Advanced Materials .
Una giunzione Josephson viene generalmente realizzata inserendo un materiale tra due superconduttori elementari. Al contrario, Randle e il team hanno fabbricato il loro dispositivo da un singolo cristallo di tellururo di tungsteno 2D monostrato, che in precedenza era stato dimostrato mostrare sia uno stato superconduttore che uno stato isolante Hall con spin quantistico.
"Abbiamo fabbricato la giunzione interamente in tellururo di tungsteno monostrato", afferma Randle. "Lo abbiamo fatto sfruttando la sua capacità di entrare e uscire dallo stato superconduttore utilizzando il gating elettrostatico."
Il team ha utilizzato sottili strati di palladio per connettersi ai lati di uno strato di tellururo di tungsteno circondato e protetto da nitruro di boro. Sono stati in grado di osservare uno schema di interferenza quando hanno misurato la risposta magnetica del campione, che è caratteristica di una giunzione Josephson con conduttori superconduttori 2D.
Sebbene questo studio fornisca un quadro per comprendere la complessa superconduttività nei sistemi 2D, è necessario ulteriore lavoro per identificare chiaramente la fisica più esotica promessa dai sistemi. La sfida è che il tellururo di tungsteno è difficile da trasformare in dispositivi a causa della rapida ossidazione entro pochi minuti dalla sua superficie in condizioni ambientali, che richiede che tutta la fabbricazione venga eseguita in un ambiente inerte.
"Il passo successivo prevede l'implementazione di strutture di accesso premodellate ultrapiatte utilizzando, ad esempio, la lucidatura chimico-meccanica", spiega Randle. "Se ciò verrà raggiunto, speriamo di formare giunzioni Josephson con geometrie su misura e di utilizzare le nostre tecniche sperimentali all'avanguardia con risonatori a microonde per osservare e indagare l'eccitante natura topologica dei dispositivi."
Ulteriori informazioni: Michael D. Randle et al, Collegamenti deboli Josephson definiti dal gate in Monolayer WTe2, Materiali avanzati (2023). DOI:10.1002/adma.202301683
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