In un'impresa degna di un laboratorio ideato da J.K. Rowling, Ricercatori e colleghi del MIT hanno trasformato un materiale "magico" composto da strati atomicamente sottili di carbonio in tre utili dispositivi elettronici. Normalmente, tali dispositivi, tutto ciò che è fondamentale per l'industria dell'elettronica quantistica, sono creati utilizzando una varietà di materiali che richiedono più fasi di fabbricazione. L'approccio MIT risolve automaticamente una serie di problemi associati a quei processi più complicati.

Di conseguenza, il lavoro potrebbe inaugurare una nuova generazione di dispositivi elettronici quantistici per applicazioni che includono l'informatica quantistica. Ulteriore, i dispositivi possono essere superconduttori, o condurre elettricità senza resistenza. lo fanno, però, attraverso un meccanismo non convenzionale che, con ulteriori studi, potrebbe fornire nuove intuizioni sulla fisica della superconduttività. I ricercatori riportano i loro risultati nel 3 maggio, numero 2021 di Nanotecnologia della natura .

"In questo lavoro abbiamo dimostrato che il grafene ad angolo magico è il più versatile di tutti i materiali superconduttori, permettendoci di realizzare in un unico sistema una moltitudine di dispositivi elettronici quantistici. Utilizzando questa piattaforma avanzata, siamo stati in grado di esplorare per la prima volta una nuova fisica superconduttiva che appare solo in due dimensioni, " dice Pablo Jarillo-Herrero, il Cecil e Ida Green Professore di Fisica al MIT e capofila del lavoro. Jarillo-Herrero è anche affiliato al Materials Research Laboratory del MIT.

Un angolo magico

Il nuovo materiale "magico" è a base di grafene. Il grafene è composto da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in esagoni che ricordano una struttura a nido d'ape. Scoperto solo circa 17 anni fa, ha una gamma di proprietà sorprendenti. Per esempio, è più forte del diamante, trasparente, e flessibile. Inoltre conduce facilmente sia il calore che l'elettricità.

Nel 2018 il gruppo Jarillo-Herrero ha fatto una scoperta sorprendente che coinvolge due strati di grafene, uno posto sopra l'altro. Quegli strati, però, non erano esattamente uno sopra l'altro; piuttosto, uno è stato leggermente ruotato di un "angolo magico" di 1,1 gradi.

La struttura risultante ha permesso al grafene di essere un superconduttore o un isolante (che impedisce il flusso di corrente elettrica), a seconda del numero di elettroni nel sistema fornito da un campo elettrico. In sostanza, il team è stato in grado di sintonizzare il grafene in stati completamente diversi modificando la tensione ruotando una manopola.

Il materiale "magico" generale, formalmente noto come grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico (MATBG), ha generato un intenso interesse nella comunità di ricerca, persino ispirando un nuovo campo (twistronics). È anche al centro del lavoro attuale.

Nel 2018 Jarillo-Herrero e colleghi hanno cambiato la tensione fornita al materiale magico tramite un singolo elettrodo, o cancello metallico. Nel lavoro attuale, "abbiamo introdotto più porte per sottoporre diverse aree del materiale a diversi campi elettrici, "dice Daniel Rodan-Legrain, uno studente laureato in fisica e autore principale del Nanotecnologia della natura carta.

Improvvisamente il team è stato in grado di sintonizzare diverse sezioni dello stesso materiale magico in una pletora di stati elettronici, dal superconduttore all'isolante a una via di mezzo. Quindi, applicando porte in diverse configurazioni, erano in grado di riprodurre tutte le parti di un circuito elettronico che normalmente verrebbero create con materiali completamente diversi.

Dispositivi funzionanti

Alla fine, il team ha utilizzato questo approccio per creare tre diversi dispositivi elettronici quantistici funzionanti. Questi dispositivi includono una giunzione Josephson, o interruttore superconduttore. Le giunzioni Josephson sono gli elementi costitutivi dei bit quantistici, o qubit, dietro i computer quantistici superconduttori. Hanno anche una varietà di altre applicazioni, come l'incorporazione in dispositivi in ​​grado di effettuare misurazioni molto precise dei campi magnetici.

Il team ha anche creato due dispositivi correlati:un dispositivo di tunneling spettroscopico e un transistor a elettrone singolo, o un dispositivo molto sensibile per controllare il movimento dell'elettricità, letteralmente un elettrone alla volta. Il primo è la chiave per studiare la superconduttività, mentre quest'ultimo ha una varietà di applicazioni in parte a causa della sua estrema sensibilità ai campi elettrici.

Tutti e tre i dispositivi traggono vantaggio dall'essere realizzati con un unico materiale sintonizzabile elettricamente. Quelli fatti convenzionalmente, di più materiali, soffrire di una serie di sfide. Per esempio, materiali diversi possono essere incompatibili. "Ora, se hai a che fare con un solo materiale, quei problemi scompaiono, "dice Rodan-Legrain.

William Oliver, un professore associato del MIT nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica che non è stato coinvolto nella ricerca, dice:

"MATBG ha la straordinaria proprietà che le sue proprietà elettriche—metalliche, superconduttore, isolante, ecc. – può essere determinato applicando una tensione a un cancello vicino. In questo lavoro, Rodan-Legrain et al. hanno dimostrato di poter realizzare dispositivi piuttosto complicati comprendenti superconduttori, normale, e regioni isolanti mediante gate elettrico di un singolo fiocco di MATBG. L'approccio convenzionale sarebbe quello di fabbricare il dispositivo in più fasi utilizzando materiali diversi. Con MATBG, i dispositivi risultanti sono completamente riconfigurabili semplicemente cambiando le tensioni di gate."

Verso il futuro

Il lavoro descritto nel documento Nature Nanotechnology apre la strada a molti potenziali progressi futuri. Per esempio, dice Rodan-Legrain, potrebbe essere usato per creare il primo qubit sintonizzabile in tensione da un singolo materiale, che potrebbe essere applicato nei futuri computer quantistici.

Inoltre, perché il nuovo sistema consente studi più dettagliati dell'enigmatica superconduttività in MATBG, ed è relativamente facile da lavorare, il team spera che possa consentire approfondimenti sulla creazione di superconduttori ad alta temperatura. Gli attuali superconduttori possono funzionare solo a temperature molto basse. "Questa è in realtà una delle grandi speranze [dietro il nostro materiale magico], " dice Rodan-Legrain. "Possiamo usarlo come una specie di Stele di Rosetta" per capire meglio i suoi cugini ad alta temperatura?

In uno sguardo su come funziona la scienza, Rodan-Legrain descrive le sorprese che il team ha incontrato durante lo svolgimento della ricerca. Per esempio, alcuni dei dati degli esperimenti non corrispondevano alle aspettative iniziali del team. Questo perché le giunzioni Josephson che hanno creato usando MATGB atomicamente sottili erano bidimensionali, e quindi avevano un comportamento notevolmente diverso dalle loro controparti convenzionali 3D. "È stato fantastico avere i dati che sono arrivati, vederli, essere perplesso su di loro, e poi comprendere ulteriormente e dare un senso a ciò che abbiamo visto."

Oltre a Jarillo-Herrero e Rodan-Legrain, altri autori dell'articolo sono Yuan Cao, un associato post-dottorato nel Materials Research Laboratory (MRL) del MIT; Parco Jeong Min, uno studente laureato presso il Dipartimento di Chimica; Sergio C. de la Barrera, un associato postdottorato nell'MRL; Mallika T. Randeria, un borsista Pappalardo presso il Dipartimento di Fisica; e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi, entrambi dell'Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali in Giappone. (Rodan-Legrain, Cao e Park hanno contribuito in egual modo al giornale.)