MIT が「マジック」材料を多用途の電子デバイスに転換 (MIT turns “magic” material into versatile electronic devices)


2021/5/3 アメリカ合衆国・マサチューセッツ工科大学(MIT)

・ MIT が、マジック・アングル・ツイスト二層グラフェン(magic-angle twisted bilayer graphene: MATBG)
による 2D 材料プラットフォームにおいて、ジョセフソン接合(超伝導スイッチ)、トンネル分光デバイスおよび単一電子トランジスタの 3 種類の量子電子デバイスを実証。
・ 重ねたグラフェンシート 2 枚のうち 1 枚を 1.1 度の「魔法の角度」で回転させた MATBG では、電界が供給する電子の数によってグラフェンを超伝導体または絶縁体に変換できることが 2018 年に発見されている。研究コミュニティの大きな関心を集め、ツイストロニクスのような新研究分野の創出にも貢献した。
・ 2018 年開発当時は、単一の金属ゲートで MATBG に電圧をかけたが、今回の研究ではマルチゲートを採用し、材料中の部位によって電圧を変えることで、超伝導、絶縁とその中間という多様な電子状態に調節可能なことを発見。様々なコンフィギュレーションにゲートを加えることで、通常では個別の材料で作製される電子回路の全部品を再現した。
・ ジョセフソン接合は、超伝導量子コンピューターの量子ビット(qビット)の構成要素となる。また、磁界の高精度計測デバイスへの統合を含む多様なアプリケーションが考えられる。トンネル分光デバイスは、高温度超伝導の研究の鍵となるもの。単一電子トランジスタは、電界への高感度により様々なアプリケーションが可能となる。
・ オンチップ量子エレクトロニクス産業の鍵となるこれらのデバイスは、通常では多様な材料を使用した多段階プロセスで製造されている。
・ 本研究は、米国立科学財団(NSF)、米国エネルギー省(DOE)、米国陸軍研究局(AOR)、スペイン・Fundacion Bancaria “la Caixa”、Gordon and Betty Moore Foundation、スペイン・Fundacion Ramon
Areces、MIT Pappalardo Fellowship および日本・文部科学省(MEXT)が支援した。



Nature Nanotechnology 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Highly tunable junctions and non-local Josephson effect in magic-angle graphene tunnelling devices


Magic-angle twisted bilayer graphene (MATBG) has recently emerged as a highly tunable two-dimensional material platform exhibiting a wide range of phases, such as metal, insulator and superconductor states. Local electrostatic control over these phases may enable the creation of versatile quantum devices that were previously not achievable in other single-material platforms. Here we engineer Josephson junctions and tunnelling transistors in MATBG, solely defined by electrostatic gates. Our multi-gated device geometry offers independent control of the weak link, barriers and tunnelling electrodes. These purely two-dimensional MATBG Josephson junctions exhibit non-local electrodynamics in a magnetic field, in agreement with the Pearl theory for ultrathin superconductors. Utilizing the intrinsic bandgaps of MATBG, we also demonstrate monolithic edge tunnelling spectroscopy within the same MATBG devices and measure the energy spectrum of MATBG in the superconducting phase. Furthermore, by inducing a double-barrier geometry, the devices can be operated as a single-electron transistor, exhibiting Coulomb blockade. With versatile functionality encompassed within a single material, these MATBG tunnelling devices may find applications in graphene-based tunable superconducting qubits, on-chip superconducting circuits and electromagnetic sensing.