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石墨烯+超導(dǎo)量子干涉裝置？為量子和超導(dǎo)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：4899
近日，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院固態(tài)物理實驗室的克勞斯·恩斯林團(tuán)隊利用石墨烯，制造出了首個超導(dǎo)量子干涉裝置，并將其用于演示超導(dǎo)準(zhǔn)粒子的干涉。
【化工儀器網(wǎng) 時事熱點】超導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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(yīng)用，如心磁儀、腦磁圖儀、超導(dǎo)全張量磁梯度測量裝置等。
超導(dǎo)量子干涉儀由于其廣泛的用途一直是超導(dǎo)應(yīng)用研究最為活躍的領(lǐng)域之一。低溫超導(dǎo)量子干涉儀由于其成熟的技術(shù)，在目前應(yīng)用中仍然處于主導(dǎo)地位，并且還擁有很大的市場。而高溫超導(dǎo)量子干涉儀由于其費(fèi)用低廉，一直是研究的熱點，其主要被應(yīng)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(dǎo)量子干涉儀應(yīng)用的障礙。液氮的價格昂貴，技術(shù)復(fù)雜，使得其實際應(yīng)用并不廣泛。近日，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院固態(tài)物理實驗室的克勞斯·恩斯林團(tuán)隊利用石墨烯，制造出了首個超導(dǎo)量子干涉裝置，并將其用于演示超導(dǎo)準(zhǔn)粒子的干涉。
石墨烯是目前已知最薄、強(qiáng)度最高、導(dǎo)電導(dǎo)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(fèi)米液體轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)關(guān)聯(lián)的二維電子系統(tǒng)，其電學(xué)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(dǎo)性、相互作用誘導(dǎo)的絕緣態(tài)、磁性、電子向列性、低溫線性電阻率和量子化反?；魻枒B(tài)等一系列獨特的物理性質(zhì)。
大約在一年前，恩斯林團(tuán)隊就已經(jīng)證明，扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯可用于制造超導(dǎo)設(shè)備的基本組成部分約瑟夫森結(jié)。然而，研究團(tuán)隊并不滿足于這種突破，因為這些石墨烯超導(dǎo)量子干涉儀相比傳統(tǒng)的鋁制超導(dǎo)量子干涉儀沒有太大的優(yōu)勢，并且和傳統(tǒng)超導(dǎo)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(tuán)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(dǎo)量子干涉裝置，其中超導(dǎo)相位差通過磁場進(jìn)行控制。研究團(tuán)隊觀察到臨界電流的磁振蕩，證明了有效電荷為2e的超導(dǎo)電荷載流子的長程相干性。研究團(tuán)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(dǎo)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(dá)2μH的值。
在量子技術(shù)中，超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體的晶體管和超導(dǎo)體制成新型超導(dǎo)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(dǎo)相，但最新的研究成果將為超導(dǎo)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(dǎo)性是如何產(chǎn)生的。我們可以期待石墨烯的巨大應(yīng)用潛能。同時，作為一種微弱磁場測量技術(shù)，超導(dǎo)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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