全球首个石墨烯超导量子干涉装置面世

IT之家 11 月 7 日消息，瑞士苏黎世联邦理工大学 (ETH) 的恩斯林（Ensslin）团队利用石墨烯，制造出了首个超导量子干涉装置，用于演示超导准粒子的干涉。这大大扩展了碳石墨烯的用途范围。

相关论文已经发表在《自然・纳米技术》上，DOI：10.1038/s41565-022-01222-0。这一研究成果有望促进量子技术的发展，也为超导研究开辟了新的可能性。

2004 年，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。这种材料被命名为石墨烯，自此引发广泛关注并获得大力发展。石墨烯是目前已知最薄、强度最高、导电导热性能最好的新型纳米材料。随着研究的不断深入，其更多特性也一一浮出水面。

现在，ETH 研究人员首次从双层扭转石墨烯中制备出了超导元件，即 SQUID (超导量子干涉器件)，用于演示超导准粒子的干涉。在量子技术中，这些敏感的传感器被用作量子比特 (qubits)。这些基本元素可用于执行量子运算和构建更复杂的电路。

根据官方新闻稿，这个成果首先建立在 ETH 固态物理实验室的 Klaus Ensslin 和 Thomas Ihn 团队的研究工作之上。IT之家了解到，他们大约一年前就已经证明，扭转双层石墨烯可用于制造超导设备的基本组成部分约瑟夫森结 (Josephson junction)。

然而，研究人员并不满足于将他们这种突破，因为这些石墨烯 SQUID 相比传统的铝制 SQUID 也没有太大优势，而且和传统 SQUID 一样的是它也必须冷却到接近绝对零度的水平（绝对零度以上 2 度）。

根据恩斯林的说法，它们明显扩大了应用范围:“五年前，我们已经能够证明石墨烯可以用于制造单电子晶体管。现在我们又在其中增加了超导性。”

根据施加的电压，石墨烯可以在绝缘、导电、超导三种状态之间变化。此外，现在这一结果表明我们可以在单一材料中结合半导体的晶体管和超导体制成新型 SQUID。

恩斯林指出，“在量子技术中，SQUID 可以容纳量子比特，因此可用作执行量子操作的元件。此外，通常情况下，晶体管由硅制成，SQUID 由铝制成，不同材料需要不同加工技术，但现在它们都可由石墨烯制成。”

按照 Ensslin 的说法，他们未来的研究将专注于在同一晶体上使用石墨烯来结合两种量子系统的优点。

恩斯林补充道，石墨烯内存在不同的超导相，但还没有一个理论模型来解释它们。最新成果也将为超导研究带来新的可能性，有了这些组件，也许能更好地理解石墨烯中的超导性是如何产生的。