Sciencemag.cz
Doporučujeme
Twistronika a magický úhel. Jednoelektronový tranzistor, různé typy qubitů v jediném zařízení. Nejnovější kouzla s grafenem.
V Natuture Nanotechnology vyšly hned dvě studie popisující, jak lze vlastnosti grafenové dvojvrstvy ovládat pomocí vnějšího elektrického napětí. Jedná se opět o grafen s pootočením o magický úhel 1,1 ° (přesněji řečeno, jedna ze studií uvádí 1,06 °). Přepínání se tentokrát netýká materiálu jako celku, ale supravodivé i izolační oblasti se mohou nacházet těsně vedle sebe. Přitom nejde o topologický materiál v tom smyslu, že by vodivý byl např. vnější povrch a nevodivý vnitřek, jednotlivá místa lze nastavovat nezávisle na sobě.
Pro lepší představu o dosažené přesnosti, podařilo se třeba vytvořit dvě supravodivé oblasti oddělené od sebe ploškou širokou 100 nanometru (Josephsonův přechod, kde mohou nastávat i další zajímavé jevy, třeba kvantové tunelování elektrického proudu přes izolant, další děje se pak liší v závislosti na tom, zda jde o stejnosměrný, nebo střídavý proud atd.). Následně realizovanou strukturou byl SQUID (superconducting quantum interference device), tedy dva Josephsonovy přechody propojené do prstence. Tato zařízení se používají např. pro přesné měření magnetických polí, ale mohly by se uplatnit i v kvantových počítačích. Pomocí vnějších elektrod lze kousky grafenu přeměnit i na feromagnety nebo na topologické izolátory – tím se nabízí možnost pracovat v jediném zařízení/materiálu s qubity různých typů.
Takto lze shrnout studii, na níž pracovali mj. Klaus Ensslin a Thomas Ihn z ETH Zurich.
Samotné ladění vodivosti grafenu, respektive přepínání mezi supravodičem a izolantem pomocí změn vnějšího napětí, demonstrovali už v roce 2018 na MITu, to se ale týkalo dvojvrstvy grafenu jako celku, kdy šlo prostě o to, kolik elektronů se dodá do systému zvenku. Jak na MITu, tak na ETH Zurich pracovali s teplotami těsně nad absolutní nulou, cílem nebylo testovat technologie přípravy vysokoteplotních supravodičů.
Druhá studie publikovaná v Nature Nanotechnology na toto téma pochází přímo z Massachusetts Institute of Technology. Podílel se na ní i Pablo Jarillo-Herrero, který na MITu přímo spoluobjevil koncept magického úhlu a založil celou novou disciplínu – twistroniku. Nová studie uvádí, že v dvojvrstvém grafenu se podařilo s použitím bran/elektrod v různých konfiguracích reprodukovat všechny prvky elektrických obvodů v jediném materiálu, vedle supravodiče a izolantu vyvolat i běžnou „kovovou“ vodivost. Kromě Josephsonova přechodu zde výzkumníci vytvořili také spektroskopické tunelovací zařízení a jednoelektronový tranzistor, který dokáže s elektrony manipulovat opravdu po jednom. Jeden z autorů tohoto výzkumu Daniel Rodan-Legrain rovněž zmiňuje možné využití v kvantovém počítačích (nebo ještě obecněji: jakýkoliv složitý elektronický systém, jehož všechny součástky budou z kousků grafenu, bude ideálně kompatibilní). Dále uvádí, že Josephsonův přechod ve 2D má sám o sobě velmi zajímavé vlastnosti, které se v lecčems odlišují od jeho běžné třírozměrné podoby.
Folkert K. de Vries et al. Gate-defined Josephson junctions in magic-angle twisted bilayer graphene, Nature Nanotechnology (2021). DOI: 10.1038/s41565-021-00896-2
Daniel Rodan-Legrain et al. Highly tunable junctions and non-local Josephson effect in magic-angle graphene tunnelling devices, Nature Nanotechnology (2021). DOI: 10.1038/s41565-021-00894-4
Zdroj: ETH Zurich / Phys.org
