Dans un exploit digne d'un laboratoire conçu par J.K. Rowling, Des chercheurs et collègues du MIT ont transformé un matériau "magique" composé de couches de carbone atomiquement minces en trois dispositifs électroniques utiles. Normalement, de tels appareils, toutes les clés de l'industrie de l'électronique quantique, sont créés en utilisant une variété de matériaux qui nécessitent plusieurs étapes de fabrication. L'approche MIT résout automatiquement une variété de problèmes associés à ces processus plus complexes.

Par conséquent, les travaux pourraient inaugurer une nouvelle génération de dispositifs électroniques quantiques pour des applications telles que l'informatique quantique. Plus loin, les dispositifs peuvent être supraconducteurs, ou conduire l'électricité sans résistance. Ils le font, cependant, par un mécanisme non conventionnel qui, avec une étude plus approfondie, pourrait donner de nouvelles perspectives sur la physique de la supraconductivité. Les chercheurs rapportent leurs résultats le 3 mai numéro 2021 de Nature Nanotechnologie .

"Dans ce travail, nous avons démontré que le graphène à angle magique est le plus polyvalent de tous les matériaux supraconducteurs, nous permettant de réaliser dans un seul système une multitude de dispositifs électroniques quantiques. En utilisant cette plate-forme avancée, nous avons pu explorer pour la première fois une nouvelle physique supraconductrice qui n'apparaît qu'en deux dimensions, " dit Pablo Jarillo-Herrero, le professeur Cecil et Ida Green de physique au MIT et chef de file des travaux. Jarillo-Herrero est également affilié au Materials Research Laboratory du MIT.

Un angle magique

Le nouveau matériau « magique » est à base de graphène. Le graphène est composé d'une seule couche d'atomes de carbone disposés en hexagones ressemblant à une structure en nid d'abeille. Découvert seulement il y a environ 17 ans, il a une gamme de propriétés étonnantes. Par exemple, c'est plus fort que le diamant, transparent, et souple. Il conduit également facilement la chaleur et l'électricité.

En 2018, le groupe Jarillo-Herrero a fait une découverte surprenante impliquant deux couches de graphène, l'un placé au-dessus de l'autre. Ces couches, cependant, n'étaient pas exactement les uns sur les autres ; plutôt, l'un a été légèrement tourné à un "angle magique" de 1,1 degrés.

La structure résultante a permis au graphène d'être soit un supraconducteur, soit un isolant (ce qui empêche la circulation du courant électrique), en fonction du nombre d'électrons dans le système fourni par un champ électrique. Essentiellement, l'équipe a pu régler le graphène dans des états complètement différents en changeant la tension en tournant un bouton.

Le matériau "magique" global, formellement connu sous le nom de graphène bicouche torsadé à angle magique (MATBG), a suscité un vif intérêt dans la communauté des chercheurs, inspirant même un nouveau domaine (twistronics). Elle est également au cœur des travaux en cours.

En 2018, Jarillo-Herrero et ses collègues ont modifié la tension fournie au matériau magique via une seule électrode, ou portail métallique. Dans les travaux en cours, « nous avons introduit plusieurs portes pour soumettre différentes zones du matériau à différents champs électriques, " dit Daniel Rodan-Legrain, un étudiant diplômé en physique et auteur principal du Nature Nanotechnologie papier.

Soudain, l'équipe a pu accorder différentes sections du même matériau magique dans une pléthore d'états électroniques, de supraconducteur à isolant à quelque part entre les deux. Puis, en appliquant des portes dans différentes configurations, ils étaient capables de reproduire toutes les parties d'un circuit électronique qui serait normalement créé avec des matériaux complètement différents.

Appareils de travail

En fin de compte, l'équipe a utilisé cette approche pour créer trois dispositifs électroniques quantiques différents. Ces dispositifs comprennent une jonction Josephson, ou interrupteur supraconducteur. Les jonctions Josephson sont les éléments constitutifs des bits quantiques, ou qubits, derrière les ordinateurs quantiques supraconducteurs. Ils ont également une variété d'autres applications, telles que l'incorporation dans des appareils qui peuvent faire des mesures très précises des champs magnétiques.

L'équipe a également créé deux dispositifs connexes :un dispositif d'effet tunnel spectroscopique et un transistor à un électron, ou un dispositif très sensible pour contrôler le mouvement de l'électricité, littéralement un électron à la fois. Le premier est la clé de l'étude de la supraconductivité, tandis que ce dernier a une variété d'applications en partie en raison de son extrême sensibilité aux champs électriques.

Les trois appareils ont l'avantage d'être constitués d'un seul matériau réglable électriquement. Ceux fabriqués de manière conventionnelle, de plusieurs matériaux, souffrent d'une variété de défis. Par exemple, différents matériaux peuvent être incompatibles. "Maintenant, si vous avez affaire à un seul matériau, ces problèmes disparaissent, " dit Rodan-Legrain.

Guillaume Olivier, un professeur agrégé du MIT au département de génie électrique et d'informatique qui n'a pas participé à la recherche, dit:

" MATBG a la propriété remarquable que ses propriétés électriques - métalliques, supraconducteur, isolant, etc. – peut être déterminé en appliquant une tension à une porte à proximité. Dans ce travail, Rodan-Legrain et al. ont montré qu'ils pouvaient fabriquer des dispositifs assez compliqués comprenant des supraconducteurs, Ordinaire, et des régions isolantes par déclenchement électrique d'un seul flocon de MATBG. L'approche classique consisterait à fabriquer le dispositif en plusieurs étapes en utilisant différents matériaux. Avec MATBG, les dispositifs résultants sont entièrement reconfigurables en changeant simplement les tensions de grille."

Vers le futur

Les travaux décrits dans l'article de Nature Nanotechnology ouvrent la voie à de nombreuses avancées potentielles futures. Par exemple, dit Rodan-Legrain, il pourrait être utilisé pour créer le premier qubit accordable en tension à partir d'un seul matériau, qui pourraient être appliqués dans les futurs ordinateurs quantiques.

En outre, parce que le nouveau système permet des études plus détaillées de la supraconductivité énigmatique dans MATBG, et est relativement facile à travailler, l'équipe espère que cela permettra de mieux comprendre la création de supraconducteurs à haute température. Les supraconducteurs actuels ne peuvent fonctionner qu'à très basse température. "C'est en fait l'un des grands espoirs [derrière notre matériel magique], " dit Rodan-Legrain. " Peut-on l'utiliser comme une sorte de pierre de Rosette " pour mieux comprendre ses cousines à haute température ?

Dans un aperçu du fonctionnement de la science, Rodan-Legrain décrit les surprises rencontrées par l'équipe au cours de la recherche. Par exemple, certaines des données des expériences ne correspondaient pas aux attentes initiales de l'équipe. C'est parce que les jonctions Josephson qu'ils ont créées à l'aide de MATGB atomiquement mince étaient bidimensionnelles, et avaient donc un comportement sensiblement différent de leurs homologues 3D conventionnels. "C'était génial d'avoir les données, les voir, être perplexe à leur sujet, et ensuite mieux comprendre et donner un sens à ce que nous avons vu. »

Outre Jarillo-Herrero et Rodan-Legrain, les autres auteurs de l'article sont Yuan Cao, un associé postdoctoral au Materials Research Laboratory (MRL) du MIT ; Parc Jeong Min, un étudiant diplômé du Département de chimie; Sergio C. de la Barrera, un associé postdoctoral au MRL; Mallika T. Randeria, un boursier postdoctoral Pappalardo au Département de physique; et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi, tous deux de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon. (Rodan-Legrain, Cao et Park ont ​​contribué à parts égales au journal.)