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石墨烯+超導量子干涉裝置？為量子和超導研究提供新思路
2022年11月08日 13:12:20
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點擊量：5018
近日，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院固態(tài)物理實驗室的克勞斯·恩斯林團隊利用石墨烯，制造出了首個超導量子干涉裝置，并將其用于演示超導準粒子的干涉。
【化工儀器網(wǎng) 時事熱點】超導量子干涉儀是一種能夠?qū)⒋艌龅奈⑿∽兓D(zhuǎn)換為可測量的電壓，其實質(zhì)上是一種磁通傳感器，是目前為止測量磁場靈敏度高的儀器，能夠分辨相當于十億分之一的地磁場變化。作為靈敏度極高的磁傳感器，超導量子干涉儀在生物磁測量、大地測量、無損探傷等方面獲得了廣泛的應用，如心磁儀、腦磁圖儀、超導全張量磁梯度測量裝置等。
超導量子干涉儀由于其廣泛的用途一直是超導應用研究最為活躍的領(lǐng)域之一。低溫超導量子干涉儀由于其成熟的技術(shù)，在目前應用中仍然處于主導地位，并且還擁有很大的市場。而高溫超導量子干涉儀由于其費用低廉，一直是研究的熱點，其主要被應用在無損檢測以及人體心磁測量方面。
然而，磁屏蔽問題和冷卻問題一直是超導量子干涉儀應用的障礙。液氮的價格昂貴，技術(shù)復雜，使得其實際應用并不廣泛。近日，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院固態(tài)物理實驗室的克勞斯·恩斯林團隊利用石墨烯，制造出了首個超導量子干涉裝置，并將其用于演示超導準粒子的干涉。
石墨烯是目前已知最薄、強度最高、導電導熱性能最好的新型納米材料。隨著研究的不斷深入，石墨烯的更多特性也逐漸浮出水面。魔角扭曲雙層石墨烯是近幾年的研究重點。
在扭曲魔角附近，雙層石墨烯會從弱關(guān)聯(lián)的費米液體轉(zhuǎn)變?yōu)閺婈P(guān)聯(lián)的二維電子系統(tǒng)，其電學特性對載流子密度和環(huán)境因素(如附近柵極的接近度和扭曲角的變化)非常敏感。伴隨著扭曲轉(zhuǎn)角的變化，魔角扭曲雙層石墨烯會展現(xiàn)出超導性、相互作用誘導的絕緣態(tài)、磁性、電子向列性、低溫線性電阻率和量子化反常霍爾態(tài)等一系列獨特的物理性質(zhì)。
大約在一年前，恩斯林團隊就已經(jīng)證明，扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯可用于制造超導設備的基本組成部分約瑟夫森結(jié)。然而，研究團隊并不滿足于這種突破，因為這些石墨烯超導量子干涉儀相比傳統(tǒng)的鋁制超導量子干涉儀沒有太大的優(yōu)勢，并且和傳統(tǒng)超導量子干涉儀一樣的是它也必須冷卻到接近絕對零度的水平(絕對零度以上2度)。
恩斯林團隊建立在先前的門定義結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，并在魔角扭曲雙層石墨烯中形成超導量子干涉裝置，其中超導相位差通過磁場進行控制。研究團隊觀察到臨界電流的磁振蕩，證明了有效電荷為2e的超導電荷載流子的長程相干性。研究團隊還通過靜電控制對結(jié)的臨界電流來調(diào)諧到不對稱和對稱超導量子干涉儀配置。這種可調(diào)性使他們能夠研究器件中的電感，找到高達2μH的值。
在量子技術(shù)中，超導量子干涉儀可以容納量子比特，因此可用作執(zhí)行量子操作的元件。此外，通常情況下，晶體管由硅制成，超導量子干涉儀由鋁制成，不同材料需要不同加工技術(shù)，但現(xiàn)在它們都可由石墨烯制成，意味著可以在單一材料中結(jié)合半導體的晶體管和超導體制成新型超導量子干涉儀。
盡管目前還沒有一個理論模型來解釋石墨烯內(nèi)存在不同的超導相，但最新的研究成果將為超導研究帶來新的可能性，有了這些組件，也許能更好地理解石墨烯中的超導性是如何產(chǎn)生的。我們可以期待石墨烯的巨大應用潛能。同時，作為一種微弱磁場測量技術(shù)，超導量子干涉儀在未來數(shù)十年仍將有著極其誘人的前景和潛在的巨大市場。
(資料參考來源：科技日報)
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