p Em um feito digno de um laboratório concebido por J.K. Rowling, Os pesquisadores e colegas do MIT transformaram um material "mágico" composto de camadas atomicamente finas de carbono em três dispositivos eletrônicos úteis. Normalmente, tais dispositivos, tudo chave para a indústria de eletrônicos quânticos, são criados com uma variedade de materiais que requerem várias etapas de fabricação. A abordagem do MIT resolve automaticamente uma variedade de problemas associados a esses processos mais complicados. p Como resultado, o trabalho pode inaugurar uma nova geração de dispositivos eletrônicos quânticos para aplicações, incluindo computação quântica. Avançar, os dispositivos podem ser supercondutores, ou conduzir eletricidade sem resistência. Eles fazem isso, Contudo, através de um mecanismo não convencional que, com mais estudos, poderia dar novos insights sobre a física da supercondutividade. Os pesquisadores relatam seus resultados no dia 3 de maio, Edição de 2021 de Nature Nanotechnology .

p "Neste trabalho, demonstramos que o grafeno do ângulo mágico é o mais versátil de todos os materiais supercondutores, permitindo-nos realizar em um único sistema uma infinidade de dispositivos eletrônicos quânticos. Usando esta plataforma avançada, fomos capazes de explorar pela primeira vez uma nova física supercondutora que só aparece em duas dimensões, "diz Pablo Jarillo-Herrero, o Cecil e Ida Green Professor de Física no MIT e líder do trabalho. Jarillo-Herrero também é afiliado ao Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT.

p Um Ângulo Mágico

p O novo material "mágico" é baseado em grafeno. O grafeno é composto por uma única camada de átomos de carbono dispostos em hexágonos que se assemelham a uma estrutura em favo de mel. Descoberto há cerca de 17 anos, tem uma gama de propriedades incríveis. Por exemplo, é mais forte que diamante, transparente, e flexível. Também conduz facilmente calor e eletricidade.

p Em 2018, o grupo Jarillo-Herrero fez uma descoberta surpreendente envolvendo duas camadas de grafeno, um colocado em cima do outro. Essas camadas, Contudo, não estavam exatamente um em cima do outro; em vez, um foi ligeiramente girado em um "ângulo mágico" de 1,1 graus.

p A estrutura resultante permitiu que o grafeno fosse um supercondutor ou um isolante (o que impede o fluxo de corrente elétrica), dependendo do número de elétrons no sistema conforme fornecido por um campo elétrico. Essencialmente, a equipe foi capaz de sintonizar o grafeno em estados completamente diferentes, alterando a voltagem ao girar um botão.

p O material "mágico" geral, formalmente conhecido como grafeno de dupla camada torcida de ângulo mágico (MATBG), gerou intenso interesse na comunidade de pesquisa, até mesmo inspirando um novo campo (twistronics). Também está no cerne do trabalho atual.

p Em 2018, Jarillo-Herrero e colegas de trabalho mudaram a voltagem fornecida ao material mágico por meio de um único eletrodo, ou portão metálico. No trabalho atual, "introduzimos vários portões para sujeitar diferentes áreas do material a diferentes campos elétricos, "diz Daniel Rodan-Legrain, um estudante de pós-graduação em física e autor principal do Nature Nanotechnology papel.

p De repente, a equipe foi capaz de sintonizar diferentes seções do mesmo material mágico em uma infinidade de estados eletrônicos, de supercondutor a isolante para algum ponto intermediário. Então, aplicando portas em diferentes configurações, eles foram capazes de reproduzir todas as partes de um circuito eletrônico que normalmente seria criado com materiais completamente diferentes.

p Dispositivos de Trabalho

p No final das contas, a equipe usou essa abordagem para criar três dispositivos eletrônicos quânticos diferentes. Esses dispositivos incluem uma junção Josephson, ou interruptor supercondutor. Junções Josephson são os blocos de construção dos bits quânticos, ou qubits, por trás de computadores quânticos supercondutores. Eles também têm uma variedade de outros aplicativos, como a incorporação em dispositivos que podem fazer medições muito precisas de campos magnéticos.

p A equipe também criou dois dispositivos relacionados:um dispositivo de tunelamento espectroscópico e um transistor de elétron único, ou um dispositivo muito sensível para controlar o movimento da eletricidade, literalmente, um elétron de cada vez. O primeiro é a chave para estudar a supercondutividade, enquanto o último tem uma variedade de aplicações, em parte devido à sua extrema sensibilidade a campos elétricos.

p Todos os três dispositivos se beneficiam por serem feitos de um único material eletricamente ajustável. Aqueles feitos convencionalmente, de vários materiais, sofrem com uma variedade de desafios. Por exemplo, materiais diferentes podem ser incompatíveis. "Agora, se você está lidando com um único material, esses problemas desaparecem, "diz Rodan-Legrain.

p William Oliver, um professor associado do MIT no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação que não estava envolvido na pesquisa, diz:

p "MATBG tem a propriedade notável de que suas propriedades elétricas - metálicas, supercondutor, isolante, etc. - pode ser determinado aplicando uma tensão a uma porta próxima. Nesse trabalho, Rodan-Legrain et al. mostraram que eles podem fazer dispositivos bastante complicados compreendendo supercondutores, normal, e regiões de isolamento por portas elétricas de um único floco de MATBG. A abordagem convencional seria fabricar o dispositivo em várias etapas usando diferentes materiais. Com MATBG, os dispositivos resultantes são totalmente reconfiguráveis ​​simplesmente alterando as tensões de porta. "

p Em direção ao futuro

p O trabalho descrito no artigo da Nature Nanotechnology abre caminho para muitos avanços futuros em potencial. Por exemplo, diz Rodan-Legrain, poderia ser usado para criar o primeiro qubit sintonizável por voltagem a partir de um único material, que poderia ser aplicado em futuros computadores quânticos.

p Além disso, porque o novo sistema permite estudos mais detalhados da supercondutividade enigmática em MATBG, e é relativamente fácil de trabalhar, a equipe está esperançosa de que isso possa permitir insights sobre a criação de supercondutores de alta temperatura. Os supercondutores atuais só podem operar em temperaturas muito baixas. "Essa é realmente uma das grandes esperanças [por trás de nosso material mágico], "diz Rodan-Legrain." Podemos usá-lo como uma espécie de Pedra de Roseta "para entender melhor seus primos de alta temperatura?

p Em um vislumbre de como a ciência funciona, Rodan-Legrain descreve as surpresas que a equipe encontrou ao conduzir a pesquisa. Por exemplo, alguns dos dados dos experimentos não corresponderam às expectativas iniciais da equipe. Isso porque as junções Josephson que eles criaram usando MATGB atomicamente finas eram bidimensionais, e, portanto, tinha um comportamento notavelmente diferente de suas contrapartes convencionais 3D. "Foi ótimo receber os dados, vendo-os, ficar intrigado com eles, e depois entender e dar sentido ao que vimos. "

p Além de Jarillo-Herrero e Rodan-Legrain, autores adicionais do artigo são Yuan Cao, um pós-doutorado associado no Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT (MRL); Jeong Min Park, um estudante de graduação no Departamento de Química; Sergio C. de la Barrera, um associado de pós-doutorado no MRL; Mallika T. Randeria, um pós-doutorado Pappalardo no Departamento de Física; e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi, ambos do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão. (Rodan-Legrain, Cao e Park contribuíram igualmente para o jornal.)