Le MIT transforme un matériau «magique» en appareils électroniques polyvalents


Le MIT transforme un matériau «magique» en appareils électroniques polyvalents

Vue d’artiste de la structure nanoscopique de l’un des nouveaux nanodispositifs du MIT. Deux couches torsadées de graphène sont représentées par les atomes de carbone bleus métalliques dans un en nid d’abeille. Les électrodes (portes) au-dessus et au-dessous du graphique sont représentées en or. Les électrons sont représentés par les petits cercles bleu clair. Crédit photo: Ella Maru Studio

Dans une réalisation digne d’un laboratoire conçu par JK Rowling, les chercheurs et collègues du MIT ont transformé un matériau «magique» constitué de couches atomiquement minces de carbone en trois dispositifs électroniques utiles. En règle générale, ces dispositifs, qui sont tous vitaux pour l’industrie de l’électronique quantique, sont fabriqués à partir d’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.

En conséquence, les travaux pourraient inaugurer une nouvelle génération de dispositifs électroniques quantiques pour des applications comprenant l’informatique quantique. De plus, les dispositifs peuvent être supraconducteurs ou conduire l’électricité sans résistance. Cependant, ils le font grâce à un mécanisme non conventionnel qui pourrait fournir de nouvelles connaissances sur la de la supraconductivité après une enquête plus approfondie. Les chercheurs rapportent leurs résultats dans le numéro du 3 mai 2021 de Nanotechnologie de la nature.

«Dans ce travail, nous avons montré que le graphène à magique est le plus polyvalent de tous les matériaux supraconducteurs, de sorte que nous pouvons réaliser une variété de dispositifs électroniques quantiques dans un seul système. Avec cette plate-forme avancée, nous avons pu explorer pour la première fois nouvelle physique supraconductrice qui ne se produit que dans deux dimensions », explique Pablo Jarillo-Herrero, professeur de physique à Cecil et Ida Green au MIT et responsable des travaux. Jarillo-Herrero est également affilié au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT.

Un coin 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 qui ressemblent à une structure en nid d’abeille. Découvert seulement il y a environ 17 ans, il possède un certain nombre de propriétés étonnantes. Par exemple, il est plus résistant que le diamant, transparent et flexible. Il conduit également facilement la chaleur et l’électricité.

En 2018, le groupe Jarillo-Herrero a fait une découverte surprenante dans laquelle deux couches de graphène se sont superposées. Cependant, ces couches n’étaient pas exactement les unes sur les autres; Au contraire, l’un était facilement 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 électrique. Essentiellement, l’équipe a pu régler les graphiques sur des états complètement différents en modifiant la tension en appuyant sur un bouton.

Tout le matériel « magique » anciennement connu sous le nom de Magic Angle Twisted Bilayer Graphs (MATBG) a suscité beaucoup d’intérêt dans la communauté de recherche et a même inspiré un nouveau domaine (Twistronics). Il est également au cœur des travaux en cours.

En 2018, Jarillo-Herrero et ses collègues ont changé la tension appliquée au matériau magique via une seule électrode ou une seule porte métallique. Dans le travail actuel, « nous avons introduit plusieurs portes pour exposer différentes zones du matériau à différents champs électriques », explique Daniel Rodan-Legrain, doctorant en physique et auteur principal du Nanotechnologie de la nature Papier.

Soudainement, l’équipe a pu accorder différentes sections du même matériau magique à une variété d’états électroniques, du supraconducteur à l’isolation en passant par les deux. En appliquant des portes dans différentes configurations, ils pourraient alors reproduire toutes les parties d’un circuit électronique qui seraient normalement réalisées avec des matériaux complètement différents.

Le MIT transforme un matériau «magique» en appareils électroniques polyvalents

Daniel Rodan-Legrain présente un support de puce qui a été utilisé dans la recherche décrite dans Nature Nanotechnology. Il se tient à côté d’un réfrigérateur à dilution similaire à celui utilisé au travail. Crédit photo: Bharath Kannan, MIT

Outils de travail

Finalement, l’équipe a utilisé cette approche pour développer trois dispositifs électroniques quantiques fonctionnant différents. Ces dispositifs comprennent une jonction Josephson ou un interrupteur supraconducteur. Les jonctions Josephson sont les éléments constitutifs des bits ou qubits quantiques derrière les ordinateurs quantiques supraconducteurs. Ils ont également une variété d’autres utilisations, telles que l’intégration dans des appareils capables de mesurer très précisément les champs magnétiques.

L’équipe a également développé deux dispositifs connexes: un dispositif tunnel spectroscopique et un transistor à un seul électron, ou un dispositif très sensible pour contrôler le mouvement de l’électricité, littéralement un électron à la fois. Le premier est essentiel pour étudier la supraconductivité, tandis que le second a une grande variété d’utilisations, en partie en raison de son extrême sensibilité aux champs électriques.

Les trois appareils bénéficient d’un seul matériau accordable électriquement. Ceux qui sont traditionnellement fabriqués à partir de plusieurs matériaux souffrent de divers défis. Par exemple, différents matériaux peuvent ne pas être compatibles. «Si vous ne traitez qu’un seul matériau maintenant, ces problèmes disparaissent», déclare Rodan-Legrain.

William Oliver, professeur agrégé du MIT à l’Institut des sciences électriques et informatiques qui n’a pas participé à la recherche, déclare:

« MATBG a la propriété remarquable que ses propriétés électriques – métalliques, supraconductrices, isolantes, etc. – peuvent être déterminées en appliquant une tension à une porte voisine. Dans ce travail, Rodan-Legrain et al. Ont montré qu’elles peuvent être assez compliquées Par exemple, les dispositifs peuvent inclure des régions supraconductrices, normales et isolantes en entraînant électriquement un seul flocon MATBG. L’approche conventionnelle consisterait à fabriquer le dispositif en plusieurs étapes en utilisant différents matériaux. Avec MATBG, les dispositifs résultants sont complets en changeant simplement les tensions de grille reconfigurable. « 

En route vers le futur

Les travaux décrits dans le document Nature Nanotechnology Paper ouvrent la voie à de nombreuses avancées possibles. Par exemple, dit Rodan-Legrain, il pourrait être utilisé pour créer le premier qubit accordable en tension à partir d’un seul matériau qui pourrait être appliqué dans les futurs ordinateurs quantiques.

Étant donné que le nouveau système permet des études plus détaillées de la mystérieuse supraconductivité dans MATBG et est relativement facile à utiliser, l’équipe espère également qu’il pourrait fournir des informations sur la fabrication de supraconducteurs à haute température. Les supraconducteurs actuels ne peuvent fonctionner qu’à des températures très basses. « C’est en fait l’un des grands espoirs [behind our magic material] »dit Rodan-Legrain. » Peut-on l’utiliser comme une sorte de pierre de Rosette « pour mieux comprendre ses cousins ​​à haute température?

Dans un aperçu du fonctionnement de la science, Rodan-Legrain décrit les surprises que l’équipe a rencontrées lors de la recherche. Par exemple, certaines données issues des expériences ne répondaient pas aux attentes initiales de l’équipe. En effet, les jonctions Josephson qu’ils ont créées avec MATGB atomiquement minces étaient bidimensionnelles et se comportent donc considérablement différemment de leurs homologues 3D conventionnels. « C’était formidable que les données soient arrivées, les aient vues, aient été confuses à ce sujet, puis ont mieux compris et compris ce que nous avons vu. »

Outre Jarillo-Herrero et Rodan-Legrain, Yuan Cao, post-doctorant au Laboratoire de recherche sur les matériaux (MRL) du MIT, sont d’autres auteurs de l’article. Jeong Min Park, doctorant au Département de chimie; Sergio C. de la Barrera, stagiaire postdoctoral au MRL; Mallika T. Randeria, postdoc avec 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 à l’article.)


Un clavier matériel composé de graphiques


Plus d’information:
Daniel Rodan-Legrain et coll. Transitions hautement réglables et effet Josephson non local dans les dispositifs tunnel en graphène avec angle magique, Nanotechnologie de la nature (2021). DOI: 10.1038 / s41565-021-00894-4

Ce travail a été soutenu par la US National Science Foundation, le US Department of Energy, le US Army Research Office, la Fundació Bancaria « la Caixa », la Gordon and Betty Moore Foundation, la Fundación Ramon Areces, une bourse du MIT Pappalardo et le Département de l’éducation, de la culture, des sports, des sciences et de la technologie (MEXT) du Japon.

Fourni par le laboratoire de recherche sur les matériaux du Massachusetts Institute of Technology

Citation: Le MIT transforme un matériau «magique» en dispositifs électroniques (2021, 5 mai), publié le 5 mai 2021 sur https://phys.org/news/2021-05-mit-magic-material-versatile-electronic. Html

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