Φυσικό πληκτρολόγιο από γραφένιο

Το φυσικό πληκτρολόγιο επιτεύχθηκε από ερευνητές της ETH Ζυρίχης. Εφαρμόζοντας ηλεκτρικές τάσεις («διακόπτες») σε διάφορα σημεία, το μαγνητικό γραφένιο γωνίας μπορεί να γίνει τοπικά υπεραγωγό (ζεύγη ηλεκτρονίων) ή μονωτικό (φράγμα στα δεξιά). Πίστωση: ETH Ζυρίχη / F. de Vries

Οι ερευνητές στο ETH Zurich έχουν μετατρέψει επιτυχώς ειδικά παρασκευασμένα τσιπ γραφενίου σε μονωτές ή υπεραγωγούς εφαρμόζοντας ηλεκτρική τάση. Η τεχνική λειτουργεί επίσης τοπικά, πράγμα που σημαίνει ότι στις ίδιες περιοχές νιφάδας γραφενίου με εντελώς διαφορετικές φυσικές ιδιότητες μπορούν να επιτευχθούν ταυτόχρονα.


Η παραγωγή σύγχρονων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων απαιτεί υλικά με πολύ διαφορετικές ιδιότητες. Υπάρχουν μονωτές που, για παράδειγμα, δεν συμπεριφέρονται ηλεκτρικό ρεύμα, Και το Υπεραγωγοί Μεταδίδει χωρίς απώλειες. Για να αποκτήσετε μια συγκεκριμένη λειτουργία ενός στοιχείου, συνήθως πρέπει να ενώσετε πολλά από αυτά τα υλικά μαζί. Συχνά, αυτό δεν είναι εύκολο έργο, ειδικά όταν ασχολείστε με τις νανοδομές σε ευρεία χρήση σήμερα. Μια ομάδα ερευνητών στο ETH Ζυρίχη με επικεφαλής τον Klaus Inslin και τον Thomas Ahn στο Solid State Physics Laboratory κατάφεραν να κάνουν ένα υλικό να συμπεριφέρεται εναλλάξ ως μονωτής ή υπεραγωγός – ή ακόμα και τα δύο σε διαφορετικές τοποθεσίες του ίδιου υλικού – απλά εφαρμόζοντας ένα ηλεκτρικό δυνητικός. Τα αποτελέσματά τους έχουν δημοσιευτεί στο επιστημονικό περιοδικό Νανοτεχνολογία της φύσης. Το έργο υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Κέντρο Ικανότητας Έρευνας (QSIT) (Quantum Science and Technology)

Graphene σε μαγική γωνία

Το υλικό που χρησιμοποιείται από τον Ensslin και τους συναδέλφους του έχει το κάπως δυσκίνητο όνομα “Magic Angle Twisted Bilayer Graphene”. Στην πραγματικότητα, αυτό το όνομα κρύβει κάτι αρκετά απλό και αναγνωρίσιμο, δηλαδή άνθρακα – αν και σε μια συγκεκριμένη μορφή και με μια ιδιαίτερη πολυπλοκότητα. Το σημείο εκκίνησης για το άρθρο είναι Τσιπ γραφενίου, Που είναι στρώματα άνθρακα πάχους μόνο ενός ατόμου. Οι ερευνητές τοποθέτησαν δύο από αυτά τα στρώματα το ένα πάνω στο άλλο με τέτοιο τρόπο ώστε οι κρυσταλλικοί τους άξονες να μην είναι παράλληλοι, αλλά δημιούργησαν μια «μαγική γωνία» ακριβώς 1,06 μοιρών. “Αυτό είναι πολύ δύσκολο, και πρέπει επίσης να ελέγξουμε με ακρίβεια τη θερμοκρασία των τσιπ κατά τη διάρκεια της παραγωγής. Ως αποτέλεσμα, συμβαίνει συχνά ένα σφάλμα”, εξηγεί ο Peter Rickhouse, ο οποίος συμμετείχε στα πειράματα ως postdoc.

Ωστόσο, στο είκοσι τοις εκατό των προσπαθειών, λειτούργησε, και τα πλέγματα ατομικού κρυστάλλου των τσιπ γραφενίου δημιουργούν ένα λεγόμενο μοτίβο moiré στο οποίο τα ηλεκτρόνια του υλικού συμπεριφέρονται διαφορετικά από το κανονικό γραφένιο. Τα μοτίβα Moiré είναι γνωστά στην τηλεόραση, για παράδειγμα, όπου η αλληλεπίδραση μεταξύ ενός μοτίβου φόρεμα και των σαρωτικών γραμμών μιας τηλεοπτικής εικόνας μπορεί να παράγει ενδιαφέροντα οπτικά εφέ. Πάνω από τα τσιπ μαγνητικής γωνίας γραφενίου, οι ερευνητές συνέδεσαν πολλά επιπλέον ηλεκτρόδια που θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν για να εφαρμόσουν ένα ηλεκτρικό δυναμικό στο υλικό. Όταν στη συνέχεια κρυώσουν τα πάντα σε μερικές εκατοντάδες βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν, συμβαίνει κάτι υπέροχο. Εξαρτάται από Εφαρμοσμένη προσπάθειαΤα τσιπ Graphene συμπεριφέρονται εντελώς αντίθετα: είτε ως υπεραγωγός είτε ως μονωτής. Αυτή η εναλλάξιμη υπεραγωγιμότητα είχε ήδη αποδειχθεί το 2018 στο Massachusetts Institute of Technology (MIT) στις Ηνωμένες Πολιτείες. Ακόμα και σήμερα, μόνο λίγες ομάδες παγκοσμίως μπορούν να παράγουν τέτοια δείγματα.

Πληκτρολόγιο Graphene

Ηλεκτρονική μικροσκόπιο εικόνα του σταυρού Josephson (ψευδο-χρώμα). Χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια (λαμπρό και σκούρο χρυσό) ως διακόπτες πιάνου, μπορεί να δημιουργηθεί ένα μονωτικό στρώμα πάχους μόνο 100 nm μεταξύ των δύο υπεραγωγών περιοχών. Πίστωση: ETH Ζυρίχη / F. de Vries

Μονωτής και υπεραγωγός από το ίδιο υλικό

Ο Ίνλιν και οι συνάδελφοί του κάνουν τώρα ένα ακόμη βήμα μπροστά. Εφαρμόζοντας διαφορετικές τάσεις σε μεμονωμένα ηλεκτρόδια, μετατρέπουν τη μαγική γωνία από γραφένιο σε μονωτή σε ένα σημείο, αλλά μερικές εκατοντάδες νανόμετρα από τη μία πλευρά γίνεται υπεραγωγική.

«Όταν το είδαμε, ήταν σαφές ότι προσπαθήσαμε πρώτα να αντιληφθούμε τη διασταύρωση Josephson», λέει ο Fokko de Vries, ο οποίος είναι επίσης μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο Ensslins. Σε τέτοιες συνδέσεις, δύο υπεραγωγοί διαχωρίζονται από ένα λεπτό διηλεκτρικό στρώμα. Με αυτόν τον τρόπο, το ρεύμα δεν μπορεί να ρέει απευθείας μεταξύ των δύο υπεραγωγών, αλλά μάλλον το κβαντικό πρέπει να ξοδεύεται μηχανικά μέσω του μονωτή. Αυτό με τη σειρά του προκαλεί τη διαφορά της αγωγιμότητας επαφής ως συνάρτηση του ρεύματος με χαρακτηριστικό τρόπο, ανάλογα με το εάν χρησιμοποιείται συνεχές ή εναλλασσόμενο ρεύμα.

Πιθανές εφαρμογές σε κβαντικές τεχνολογίες

Οι ερευνητές του ETH κατάφεραν να παράγουν μια διασταύρωση Josephson μέσα σε μαγικά στριμμένα τσιπ γραφενίου χρησιμοποιώντας διαφορετικές τάσεις που εφαρμόστηκαν στα τρία ηλεκτρόδια, καθώς και να μετρήσουν τις ιδιότητές τους. “Τώρα που αυτό λειτουργεί επίσης καλά, μπορούμε να δοκιμάσουμε τα χέρια μας σε πιο περίπλοκες συσκευές όπως τα καλαμάρια”, λέει ο de Vries. Στο SQUID (“υπεραγώγιμο κβαντικό ιντερφερόμετρο”), η σύνδεση Josephson συνδέεται για να σχηματίσει έναν δακτύλιο. Οι πρακτικές εφαρμογές τέτοιων συσκευών περιλαμβάνουν μετρήσεις μικρών μαγνητικών πεδίων, καθώς και σύγχρονες τεχνολογίες όπως κβαντικοί υπολογιστές. Για πιθανές χρήσεις σε κβαντικούς υπολογιστές, μια ενδιαφέρουσα πτυχή είναι ότι με τη βοήθεια ηλεκτροδίων, τα τσιπ γραφενίου μπορούν να μετατραπούν όχι μόνο σε υπερ-μονωτές και αγωγούς, αλλά και σε μαγνήτες ή στους λεγόμενους τοπολογικούς μονωτές, στους οποίους το ρεύμα μπορεί να ρέει μόνο σε έναν . Κατεύθυνση κατά μήκος της άκρης του υλικού. Αυτό μπορεί να αξιοποιηθεί για την επίτευξη διαφορετικών τύπων κβαντικών bit (qubits) σε μία συσκευή.

Πληκτρολόγιο υλικού

“Μέχρι στιγμής, αυτό είναι μόνο κερδοσκοπία”, λέει ο Έσλιν. Ωστόσο, είναι παθιασμένος με τις δυνατότητες που προκύπτουν από τον ηλεκτρικό έλεγχο μέχρι στιγμής. “Χρησιμοποιώντας τα ηλεκτρόδια, μπορούμε να παίξουμε πρακτικά το πιάνο στο γραφένιο.” Μεταξύ άλλων, οι φυσικοί ελπίζουν ότι αυτό θα τους βοηθήσει να αποκτήσουν νέες γνώσεις σχετικά με τους λεπτομερείς μηχανισμούς που οδηγούν στην υπεραγωγιμότητα στη μαγική γωνία. Γραφενίου.


Το ειδικά προσανατολισμένο στριμμένο γραφένιο δύο στρωμάτων φιλοξενεί τοπολογικές ηλεκτρονικές καταστάσεις


περισσότερες πληροφορίες:
Folkert K. de Vries et al. Οι διασταυρώσεις Josephson που καθορίζονται από την πύλη σε μαγική γωνία στριμμένα δύο στρώματα γραφένιο Νανοτεχνολογία της φύσης (2021). DOI: 10.1038 / s41565-021-00896-2

το απόσπασμα: Πληκτρολόγιο Physical Graphene (2021, 5 Μαΐου) Ανακτήθηκε στις 5 Μαΐου 2021 από https://phys.org/news/2021-05-material-keyboard-graphene.html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Ανεξάρτητα από οποιαδήποτε δίκαιη μεταχείριση για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν μπορεί να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.

READ  Το SpaceX δοκιμάζει το Falcon 9 που κυκλοφορεί για έκτη φορά σε πέντε εβδομάδες - Spaceflight Now

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *