Nature Materials:有望晶圆级量产的量子计算新材料

SK2223 1年前 (2023-03-12) 1602浏览

  • 【导读】

谷歌，IBM及微软等巨头正努力制造并量产基于超导量子比特的量子计算机，我们几乎可以肯定的是，未来属于量子计算时代，例如，近期热映的电影《流浪地球2》中，人类开发的量子计算机550W——代号MOSS所展现出的超强算力就令人吃惊不已。当然，量子计算机很容易受到经典环境中的干扰，从而导致其运行出错，解决这一关键问题的核心是能否开发出高效的材料体系。学术界一直以来认为，拓扑量子位是解决上述应用瓶颈的钥匙，当然，其核心是首先合成出适合量产的材料。

在潜在的可规模化的材料平台中实现拓扑超导的主要方法是利用混合系统的超导近邻效应，该混合系统一般由s波超导体(SC)和具有强自旋轨道耦合的一维(1D)或二维(2D)半导体组成。在拓扑绝缘体（TI）和SC的混合系统中就能实现拓扑超导性，然而，制备高质量，可规模化的材料体系仍然十分困难。比如，高质量的TI膜可以在NbSe2上生长， 但是由于界面效应，并不能在金属超导体膜上形成异质结。此外，如何防止TI膜在制备过程中氧化，仍然是器件制备中的面临的巨大难题。

  • 【成果掠影】

最近，宾夕法尼亚州立大学的Jun Zhu领衔的国际联合团队实现了(Bi,Sb)2Te3/石墨烯/镓（BST/Gr/Ga）异质结构的生长。在两个异质结面实现了原子级别的尖锐层，促进了源于镓膜的超导近邻效应。同时，开发出一种无光刻的范德华隧道结，并且在一个5-10层BST/Gr/Ga结构的狄拉克表面态形成了稳定的、近邻效应诱导的超导间隙。单个Abrikosov涡旋的存在表明了离散的电导变化。第一作者为Cequn Li，通讯作者为Jun Zhu教授。相关文章以“Proximity-induced superconductivity in epitaxial topological insulator/graphene/gallium heterostructures“为题发表在Nature Materials上，宾夕法尼亚州立大学的官网也报道了这一重要进展，该成果为实现量子计算机的规模化应用找到了一种可实现晶圆级量产的材料体系。

  • 【核心创新点】
  • 高质量的(Bi,Sb)2The3/Gr/Ga异质结有望实现晶圆级量产，为量子计算的应用扫除关键障碍
  • 【数据概览】

图1 外延生长的BST/Gr/Ga异质结构以及隧道结器件的制备©2023 Springer Nature

(a)生长示意图，(b)截面扫描隧道显微镜图，(c)范德华隧道，器件结构及不同的隧道电导测试示意图，(d)h-BN/石墨烯/2L h-BN的光学图像，(e)标有4个隧道连接的设备 02T-5QL的光学图像。

图2 BST/Gr/Ga异质结构中共存的狄拉克表面态及超导性©2023 Springer Nature

(a)5QL的BST/Gr/Ga室温能带图，(b) 从02T-5QL器件得到的dI/dV 与 Vdc 曲线，(c)选定电场中的电阻随温度变化图，(d)平面外临界场Hc2随温度变化图。

图3 BST/Gr/Ga异质结构的超导近邻效应 ©2023 Springer Nature

(a)两间隙隧道示意图及相应的态密度图，(b) 特定温度下在器件dI/dV 与 Vdc 曲线，(c)特定温度下在器件02T-5QL 中接触点1和5的获取的dI/dV 与 Vdc 曲线，(d)c基于双间隙BTK模型对(c)图0.32k的拟合结果，(e)BTK模型拟合结果中获取的 ΔS and ΔI 随温度变化曲线，(f)4个不同结G15–G45获取的dI/dV 与 Vdc 曲线。

图4 隧道电导中涡旋俘获和单涡旋特征的证据 ©2023 Springer Nature

  • 【成果启示】

本文开发了一种可用于实现拓扑超导性的基于BST/Gr/Ga异质结构的可拓展平台。同时发现了利用分子外研法制备的BST/Gr/Ga狄拉克表面态上存在超导邻近诱导超导间隙，并且在隧道电导中存在Abrikosov涡旋甚至单涡旋。结合限制异质外延和分子束外延法，该文为研究新型超导和磁性异质结提供了新思路。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01478-4

本文由搬砖仔儿供稿

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