El Instituto de Tecnología de Massachusetts convierte materiales «mágicos» en dispositivos electrónicos versátiles

En una hazaña digna del laboratorio de JK Rowling, los investigadores y colegas del Instituto de Tecnología de Massachusetts han transformado una sustancia «mágica» hecha de capas delgadas de carbono en tres útiles dispositivos electrónicos. Por lo general, estos dispositivos, que son todos clave para la industria de la electrónica cuántica, se construyen utilizando una variedad de materiales que requieren múltiples pasos de fabricación. El enfoque del MIT resuelve automáticamente una variedad de problemas asociados con estos procesos más complejos.

Como resultado, la acción podría conducir a una nueva generación de tecnología cuántica. dispositivos electrónicos Para aplicaciones que incluyen computación cuántica. Además, los dispositivos pueden ser superconductores o conducir electricidad sin resistencia. Sin embargo, lo están haciendo a través de un mecanismo poco convencional que, con más estudios, podría proporcionar nuevos conocimientos sobre la física de la superconductividad. Los investigadores informan sus hallazgos en la edición del 3 de mayo de 2021 de Nanotecnología de la naturaleza.

«En este trabajo mostramos ese ángulo mágico Grafeno Es el más versátil de todos Materiales superconductores, Lo que nos permite percibir muchos dispositivos electrónicos cuánticos en un sistema. Con esta plataforma avanzada, por primera vez hemos podido explorar una nueva física superconductora que solo está emergiendo en dos dimensiones ”, dice Pablo Jarillo-Herrero, profesor de física del MIT e Ida Greene y líder empresarial. Herero también está vinculado a Materiales del MIT Laboratorio de investigación.

Ángulo mágico

La nueva sustancia «mágica» se basa en grafeno. El grafeno está hecho de una sola capa de átomos de carbono dispuestos en formas hexagonales que se asemejan a la estructura de un panal. Fue descubierto hace solo unos 17 años y tiene un conjunto de propiedades asombrosas. Por ejemplo, es más fuerte que el diamante, transparente y flexible. También conduce el calor y la electricidad con facilidad.

En 2018, el Grupo Jarillo-Herrero hizo un descubrimiento sorprendente que involucró dos capas de grafeno, una encima de la otra. Sin embargo, esas capas no estaban completamente una encima de la otra; En cambio, uno de ellos se gira ligeramente en un ángulo mágico de 1,1 grados.

La estructura resultante permitió que el grafeno fuera un superconductor o un aislante (evitando el flujo de corriente eléctrica), dependiendo de la cantidad de electrones en el sistema proporcionados por el campo eléctrico. Básicamente, el equipo pudo ajustar el grafeno en estados completamente diferentes variando el voltaje a medida que gira la perilla.

El material «mágico» que lo abarca todo, conocido formalmente como MATBG, ha generado un gran interés en la comunidad de investigadores e incluso ha inspirado un nuevo campo (twistronics). También está en el corazón del negocio actual.

En 2018, Jarilo-Herrero y sus colegas alteraron el voltaje suministrado a la materia mágica a través de un solo electrodo o puerta de metal. En el trabajo actual, «hemos introducido múltiples puertas para someter diferentes regiones de la materia a diferentes campos eléctricos», dice Daniel Rodin Legrain, estudiante graduado en física y autor principal de Nanotecnología de la naturaleza papel.

De repente, el equipo logró ajustar diferentes secciones de la misma sustancia mágica en una plétora de estados electrónicos, desde la superconductividad hasta el aislamiento y algún punto intermedio. Luego, al aplicar las compuertas en diferentes configuraciones, pudieron reproducir todas las partes del circuito electrónico normalmente construido con materiales completamente diferentes.

Dispositivos de trabajo

Finalmente, el equipo utilizó este enfoque para crear tres dispositivos electrónicos cuánticos diferentes. Estos dispositivos incluyen una unión Josephson o un interruptor superconductor. Las uniones de Josephson son los bloques de construcción de los bits cuánticos, o qubits, detrás de las computadoras cuánticas superconductoras. También tienen una variedad de otras aplicaciones, como la incorporación a dispositivos que pueden realizar mediciones extremadamente precisas de campos magnéticos.

El equipo también creó dos dispositivos vinculados: un dispositivo de efecto túnel espectral y un transistor de un solo electrón, o un dispositivo altamente sensible para controlar el movimiento de la electricidad, literalmente un electrón a la vez. El primero es clave para estudiar la superconductividad, mientras que el segundo tiene una amplia variedad de aplicaciones, en parte debido a su extrema sensibilidad a los campos eléctricos.

Los tres dispositivos se benefician de estar hechos de un solo material eléctricamente ajustable. Los fabricados tradicionalmente, a partir de múltiples materiales, soportan una variedad de desafíos. Por ejemplo, diferentes materiales pueden ser incompatibles. «Ahora, si trabaja con una sustancia, estos problemas desaparecen», dice Rodin Legrain.

William Oliver, profesor asociado del Instituto de Tecnología de Massachusetts en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación que no participó en la investigación, dice:

«MATBG tiene la propiedad notable de que sus propiedades eléctricas (metálicas, superconductoras, dieléctricas, etc.) se pueden determinar aplicando un voltaje a una puerta cercana. En este trabajo, Rodan-Legrain et al. Demostraron dispositivos que incluyen regiones superconductoras y normales Aislado por compuertas eléctricas de un solo chip de MATBG. El método tradicional es fabricar el dispositivo en varios pasos utilizando diferentes materiales. Con MATBG, los dispositivos resultantes se pueden reconfigurar por completo simplemente cambiando el voltaje de la compuerta «.

Hacia el futuro

El trabajo descrito en el artículo de Nature Nanotechnology allana el camino para muchos desarrollos futuros potenciales. Por ejemplo, dice Rodan-Legrain, podría usarse para crear los primeros qubits de voltaje ajustable a partir de un solo material, que podría aplicarse a computadoras cuánticas en el futuro.

Además, debido a que el nuevo sistema permite estudios más detallados de la superconductividad difusa en MATBG, y es relativamente fácil trabajar con él, el equipo espera que permita una idea de la creación de superconductores de alta temperatura. Los superconductores actuales solo pueden funcionar a temperaturas extremadamente bajas. “Esta es de hecho una de mis grandes esperanzas [behind our magic material]»Dice Rodan Legrain.» ¿Podemos usarlo como una especie de Rosetta Stone «para comprender mejor a sus primos más calientes?

En un vistazo de cómo funciona la ciencia, Rodin Legrain describe las sorpresas que encontró el equipo mientras realizaba la investigación. Por ejemplo, algunos de los datos de los ensayos no coincidieron con las expectativas iniciales del equipo. Esto se debe a que las uniones de Josephson que crearon utilizando MATGB atómicamente delgadas eran 2D y, por lo tanto, tenían un comportamiento significativamente diferente de sus contrapartes 3D tradicionales. «Fue genial tener los datos, verlos, confundirnos al respecto y luego comprender más y comprender lo que vimos».

Además de Jarilo-Herrero y Rodan-Legrain, los autores adicionales del artículo son Yuan Cao, becario postdoctoral en el Laboratorio de Investigación de Materiales del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MRL); Jeong Min Park, estudiante de posgrado en el Departamento de Química; Sergio CD La Barrera, becario postdoctoral MRL; Malika T. Randeria, Becaria Postdoctoral Papalardo del Departamento de Física; Y Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi, ambos del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, Japón. (Rodin Legrain, Cao y Park contribuyeron por igual al artículo).