- 研究人員開發出穩定的超薄超導材料，能在空氣中生成大面積材料。
- 新工藝使超導材料不再限於小規模製造，應用潛力大增。
- 超薄超導體有助於縮小量子計算硬件體積，並開發新技術。
- 研究揭示了促進超導材料生長的獨特機制，提升了其穩定性。
研究人員開發了一種方法，能夠在空氣中生成大面積、均勻的超導材料，並保持其穩定性。此次研究由麻省理工學院及其他機構的研究人員共同參與，所生長的超導材料為二硒化鉬，並在另一種原子級薄材料石墨烯的下方進行生長。根據研究人員的説法，石墨烯層可保護脆弱的超導體免受氧化，同時引導其在大規模晶圓上平滑生長。該材料保持了其超導特性，並展現出高動能電感。麻省理工學院電機與計算機科學系研究生、該研究的共同第一作者鄭旭東表示，僅有單層厚度的新興超導體具有相當大的潛力。
“多虧我們的新工藝，它們不再是只能在非常小規模下製造的材料。科學家們現在有令人興奮的機會來研究這些材料，將其應用於電路，並探索其實際應用。”
新工藝的應用潛力
研究團隊進一步將這種空氣穩定的超導體集成到超導微波電路中。經過測試，該材料保持了其超導特性，並展現出高動能電感，這對許多量子設備來説是一項資源。這種超薄超導體由單層緊密排列的鉬原子組成，長期而言，這一進展有助於縮小超導量子計算硬件的體積，以及開發如超靈敏量子探測器等技術，這些技術可應用於通信或宇宙學。二硒化鉬的超薄超導體由一層單一的鉬原子層夾在兩側的單層硒原子中構成，據研究團隊成員最近報告，該材料具有極高的動能電感。
這使得材料能在非常小的區域內儲存大量的感應能量。
超薄超導體的設計優勢
根據研究人員的説法，小型化的高動能電感在許多量子設備中是一個理想的設計元素。該研究發表於《自然》期刊，揭示了一種“包裹外延”機制，該機制能夠促進大面積（超過 1 英寸）、空氣穩定的單層二硒化鉬（NbSe2）薄膜的生長（1L-NbSe2），並探索其在超導量子電路中的潛力。這項工作代表了一種獨特的生長現象，其中如石墨烯或六方氮化硼等二維包裹層預先沉積在三維基板（例如 SiO2 或 Si3N4）上，能同時作為 1L-NbSe2 在包裹–基板界面下的外延生長模板，並作為防護蓋層以抵抗環境劣化。
鄭旭東解釋道：“通常，一旦我們製作出材料並將其從惰性環境中移除，它會立即開始氧化和劣化，最終變得受損。”如果科學家能將如薄層二硒化鉬這類動能電感足夠大的材料整合到量子電路中，他們就能用一小塊薄膜材料替代大範圍的電子結合，使電路更加緊湊。但由於二硒化鉬在空氣中迅速劣化，科學家們一直無法可靠地在晶圓規模上製造設備。相反，他們依賴剝離技術，產生小片材料。
超導材料在量子技術中的重要性
這項研究的突破在於開發出能在空氣中穩定的超薄超導材料，這對量子計算和相關技術的發展至關重要。傳統上，超導材料的製造受到環境劣化的限制，這項新技術不僅克服了這一挑戰，還能在更大範圍內應用，促進量子設備的緊湊設計。隨著量子技術的快速發展，這種材料的穩定性和高動能電感將為未來的通信和探測技術提供新的可能性。