Físicos da RIKEN desenvolveram um dispositivo eletrônico que hospeda estados incomuns da matéria, que um dia poderá ser útil para a computação quântica.



Quando um material existe como uma camada ultrafina – com apenas um ou alguns átomos de espessura – ele tem propriedades totalmente diferentes das amostras mais espessas do mesmo material. Isso ocorre porque confinar os elétrons a um plano 2D dá origem a estados exóticos. Devido às suas dimensões planas e à sua ampla compatibilidade com as tecnologias de semicondutores existentes, esses materiais 2D são promissores para aproveitar novos fenómenos em dispositivos eletrónicos.

Esses estados incluem isoladores Hall de spin quântico, que conduzem eletricidade ao longo de suas bordas, mas são eletricamente isolantes em seus interiores. Tais sistemas, quando acoplados à supercondutividade, foram propostos como um caminho para a engenharia de estados supercondutores topológicos que têm aplicação potencial em futuros computadores quânticos topológicos.

Agora, Michael Randle, do Laboratório de Dispositivos Avançados RIKEN, juntamente com colegas de trabalho da RIKEN e da Fujitsu, criaram uma junção Josephson 2D com componentes ativos inteiramente a partir de um material conhecido por ser um isolante Hall de spin quântico. O trabalho está publicado na revista Advanced Materials .

Uma junção Josephson geralmente é feita imprensando um material entre dois supercondutores elementares. Em contraste, Randle e sua equipe fabricaram seu dispositivo a partir de um único cristal de telureto de tungstênio 2D monocamada, que já havia demonstrado exibir tanto um estado supercondutor quanto um isolador Hall de spin quântico.

"Fabricamos a junção inteiramente com telureto de tungstênio monocamada", diz Randle. "Fizemos isso explorando sua capacidade de entrar e sair do estado supercondutor usando portas eletrostáticas."

A equipe usou finas camadas de paládio para conectar as laterais de uma camada de telureto de tungstênio cercada e protegida por nitreto de boro. Eles conseguiram observar um padrão de interferência quando mediram a resposta magnética da amostra, que é característica de uma junção Josephson com terminais supercondutores 2D.

Embora este estudo forneça uma estrutura para a compreensão da supercondutividade complexa em sistemas 2D, é necessário mais trabalho para identificar claramente a física mais exótica que os sistemas prometem. O desafio é que o telureto de tungstênio é difícil de processar em dispositivos devido à rápida oxidação em poucos minutos de sua superfície sob condições ambientais, o que exige que toda a fabricação seja realizada em um ambiente inerte.

“O próximo passo envolve a implementação de estruturas de portas pré-padronizadas ultraplanas usando, por exemplo, polimento químico-mecânico”, explica Randle. "Se isso for alcançado, esperamos formar junções Josephson com geometrias precisamente adaptadas e usar nossas técnicas experimentais de ressonador de microondas de ponta para observar e investigar a excitante natureza topológica dos dispositivos."

Mais informações: Michael D. Randle et al, Gate‐Defined Josephson Weak‐Links in Monolayer WTe2, Materiais Avançados (2023). DOI:10.1002/adma.202301683
Informações do diário: Materiais Avançados

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