Новая технология позволяет получать образцы в масштабе пластины, преодолевая серьезное препятствие на пути использования этих материалов в квантовых технологиях.
Сверхтонкие сверхпроводящие материалы, толщина которых составляет всего один атом или несколько атомов, обладают уникальными свойствами, которые ученые могут использовать для создания более компактных, масштабируемых и эффективных квантовых устройств. Но эти хрупкие материалы так быстро разрушаются на воздухе, что их сложно изучать и производить.
Исследователи из Массачусетского технологического института разработали метод создания большой однородной области из ультратонкого сверхпроводящего материала, который остается стабильным на воздухе.
Они «выращивают» сверхпроводящий материал, диселенид ниобия, под другим атомарно тонким материалом — графеном на основе углерода. Слой графена защищает хрупкий сверхпроводник от окисления, одновременно направляя его рост в виде гладкого слоя на большой площади, сопоставимой с размером пластины.
Диселенид ниобия, ультратонкий сверхпроводник, состоящий из одного плотно упакованного слоя атомов ниобия, зажатого между двумя слоями атомов селена, обладает очень высокой кинетической индуктивностью. Это позволяет материалу накапливать большое количество индуктивной энергии на очень маленькой площади. Большая кинетическая индуктивность при компактных размерах является желательным конструктивным элементом для многих квантовых устройств.
Если бы ученые могли использовать в квантовых схемах такие материалы, как тонкий диселенид ниобия с достаточно большой кинетической индуктивностью, они могли бы заменить большую площадь электронных переходов крошечным кусочком тонкопленочного материала, сделав схему более компактной. Но поскольку диселенид ниобия быстро разлагается на воздухе, ученым пока не удается надежно изготавливать устройства размером с пластину. Вместо этого они используют методы эксфолиации, которые позволяют получать небольшие чешуйки. Кроме того, исследователи столкнулись с трудностями при выращивании материала с однородной толщиной монослоя. Следовательно, было непросто полностью изучить его свойства или протестировать его в реальных условиях.
Исследователи интегрировали этот сверхпроводник, устойчивый к воздействию воздуха, в сверхпроводящую микроволновую цепь. При тестировании материал сохранил свои сверхпроводящие свойства и продемонстрировал высокую кинетическую индуктивность, которая является важным ресурсом для многих квантовых устройств. В долгосрочной перспективе это достижение может помочь в миниатюризации оборудования для сверхпроводящих квантовых вычислений, а также таких технологий, как сверхчувствительные квантовые детекторы для связи и космологии.