خلاصه خبر:
فیزیکدانان در موسسه تحقیقاتی RIKEN ژاپن با استفاده از تک لایه تلورید تنگستن، دستگاه الکترونیکی جدیدی برای ایجاد یک "اتصال جوزفسون" دو بعدی ساختند که یک جزء کلیدی در کامپیوترهای کوانتومی ابررساناست. برخلاف اتصالات سنتی، اجزای فعال این دستگاه کاملاً از مواد تک لایه تشکیل شده‌اند که حالت ابررسانایی آن‌ها از طریق یک گیت الکترواستاتیک قابل تنظیم است. در این پژوهش از یک لایه نازک پالادیوم برای اتصال به دو طرف لایه تلورید تنگستن استفاده شده است. اگرچه این پیشرفت زمینه را برای درک ابررسانایی در سیستم‌های دو بعدی فراهم می‌کند، اما برای استفاده عملی از آن باید بر چالش‌های ساخت تنگستن تلورید به‌ویژه به خاطر اکسید شدن سریع آن، غلبه کرد. هدف تحقیقات آینده اصلاح دستگاه و بررسی ماهیت توپولوژیکی آن برای کاربردهای محاسبات کوانتومی بالقوه است.
توضیحات تکمیلی:
دانشمندان موسسه تحقیقاتی RIKEN در ژاپن یک دستگاه الکترونیکی را که بستر حالت‌های خارق‌العاده‌ای از ماده است، مهندسی کردند که درِ جدیدی را به روی کاربردهای بالقوه در محاسبات کوانتومی باز می‌کند. نکته کلیدی این پژوهش در دستکاری مواد در یک لایه دوبعدی فوق نازک است، که در مقایسه با همتایان ضخیم‌ترشان، خواص منحصر به فردی به آن‌ها می بخشد که ناشی از محصور شدن الکترون ها در یک صفحه دو بعدی است.
مسطح بودن و سازگاری با فناوری‌های نیمه هادی موجود، این مواد را برای کشف پدیده‌های جدید در دستگاه‌های الکترونیکی امیدوارکننده می‌سازد. از جمله مواد دوبعدی جذاب کشف‌شده، عایق‌های هال اسپین کوانتومی هستند که می‌توانند جریان الکتریکی را در امتداد لبه‌های خود هدایت کنند و در عین حال فضای داخلی خود را عایق نگه دارند. هنگامی که این سیستم ها با خواص ابررسانایی همراه شوند، می توانند راه را برای مهندسی حالت‌های ابررسانای توپولوژیکی هموار کنند و کاربردهای بالقوه ای را در کامپیوترهای کوانتومی توپولوژیکی آینده داشته باشند.
مایکل رندل از آزمایشگاه دستگاه های پیشرفته RIKEN، با همکاری محققان دیگری از RIKEN و فوجیتسو ، رهبری این تحقیق نوآورانه را بر عهده دارد. این تیم با موفقیت یک اتصال دو بعدی جوزفسون را با استفاده از اجزای فعالی که کاملاً از ماده عایق هال اسپین کوانتومی تشکیل شده است، ایجاد کردند.
به طور سنتی، اتصال جوزفسون با ساندویچ کردن یک ماده بین دو ابررسانای عنصری ساخته می‌شود. رندل و تیمش، دستگاه خود را از یک بلور تک‌لایه تلورید تنگستن دوبعدی ساختند، ماده‌ای که قبلاً به عنوان حالت عایق ابررسانا و عایق اسپین کوانتومی هال شناسایی شده بود. این ماده می‌تواند با یک گیت الکتروستاتیک به حالت ابررسانا تغییر وضعیت دهد.
این تیم از لایه‌های نازک پالادیوم برای اتصال به کناره‌های تک لایه تلورید تنگستن، که توسط نیترید بور احاطه شده و محافظت می‌شود، استفاده کردند. اندازه‌گیری‌های آن‌ها یک الگوی تداخل مشخصه اتصال جوزفسون با ابررسانای دوبعدی را نشان داد.
در حالی که این مطالعه پایه‌ای برای درک ابررسانایی پیچیده در سیستم‌های دوبعدی ایجاد می‌کند، تحقیقات بیشتری برای کشف کامل فیزیک عجیب این سیستم‌ها مورد نیاز است. یکی از چالش‌های ساخت دستگاه، مشکل پردازش تلورید تنگستن به دلیل اکسید شدن سریع آن در شرایط محیطی است. برای رفع این مشکل، تمام فرآیندهای ساخت باید در یک محیط بی‌اثر انجام شوند.
این پژوهش ارزشمند نویدبخش ارتقای درک ما از ابررسانایی در سیستم‌های دو بعدی است و ما را یک قدم به عملی کردن کاربرد این سیستم‌ها در محاسبات کوانتومی نزدیک‌تر می‌کند.
منبع
Randle MD, Hosoda M, Deacon RS, et al., “Gate-defined Josephson weak-links in monolayer WTe2.”, Advanced Materials, 2023;35(35):2301683. DOI:10.1002/adma.202301683
