由单一二维材料制成的超导结有望利用奇怪的新物理

日本理化学研究所的物理学家开发了一种电子设备，可以容纳不寻常的物质状态，有一天可能对量子计算有用。当一种材料以超薄层存在时——只有一个或几个原子厚——它与同一材料的较厚样品具有完全不同的特性。这是因为将电子限制在二维平面上会产生奇异态。由于其平坦的尺寸以及与现有半导体技术的广泛兼容性，此类二维材料有望利用电子设备中的新现象。

这些状态包括量子自旋霍尔绝缘体，它们沿其边缘导电，但其内部是电绝缘的。此类系统与超导性相结合已被提议作为拓扑超导态工程的一条途径，在未来的拓扑量子计算机中具有潜在的应用。

现在，RIKEN先进器件实验室的MichaelRandle与RIKEN和富士通的同事一起，创建了一个2D约瑟夫森结，其活性组件完全由一种已知的量子自旋霍尔绝缘体材料制成。该工作发表在《先进材料》杂志上。

约瑟夫森结通常是通过将材料夹在两个元素超导体之间而制成的。相比之下，兰德尔和团队用单层二维碲化钨单晶制造了他们的器件，此前该材料已被证明表现出超导态和量子自旋霍尔绝缘体态。

“我们完全用单层碲化钨制造了结，”兰德尔说。“我们通过利用其使用静电门控进入和退出超导状态的能力来做到这一点。”

该团队使用薄层钯连接到由氮化硼包围和保护的碲化钨层的侧面。当他们测量样品的磁响应时，他们能够观察到干涉图案，这是带有二维超导引线的约瑟夫森结的特征。

虽然这项研究为理解二维系统中复杂的超导性提供了一个框架，但还需要进一步的工作来清楚地识别系统所承诺的更奇特的物理现象。面临的挑战是碲化钨很难加工成器件，因为在环境条件下其表面几分钟内就会快速氧化，这需要所有制造都在惰性环境中进行。

“下一步涉及通过使用化学机械抛光等方法来实现超平坦的预图案化栅极结构，”兰德尔解释道。“如果实现这一点，我们希望形成具有精确定制几何形状的约瑟夫森结，并使用我们尖端的微波谐振器实验技术来观察和研究器件令人兴奋的拓扑性质。”