Nature Materials:有望晶圓級量產的量子計算新材料

• 【導讀】

谷歌，IBM及微軟等巨頭正努力制造并量產基于超導量子比特的量子計算機，我們幾乎可以肯定的是，未來屬于量子計算時代，例如，近期熱映的電影《流浪地球2》中，人類開發的量子計算機550W——代號MOSS所展現出的超強算力就令人吃驚不已。當然，量子計算機很容易受到經典環境中的干擾，從而導致其運行出錯，解決這一關鍵問題的核心是能否開發出高效的材料體系。學術界一直以來認為，拓撲量子位是解決上述應用瓶頸的鑰匙，當然，其核心是首先合成出適合量產的材料。

在潛在的可規模化的材料平臺中實現拓撲超導的主要方法是利用混合系統的超導近鄰效應，該混合系統一般由s波超導體(SC)和具有強自旋軌道耦合的一維(1D)或二維(2D)半導體組成。在拓撲絕緣體（TI）和SC的混合系統中就能實現拓撲超導性，然而，制備高質量，可規模化的材料體系仍然十分困難。比如，高質量的TI膜可以在NbSe2上生長， 但是由于界面效應，并不能在金屬超導體膜上形成異質結。此外，如何防止TI膜在制備過程中氧化，仍然是器件制備中的面臨的巨大難題。

• 【成果掠影】

最近，賓夕法尼亞州立大學的Jun Zhu領銜的國際聯合團隊實現了(Bi,Sb)₂Te₃/石墨烯/鎵（BST/Gr/Ga）異質結構的生長。在兩個異質結面實現了原子級別的尖銳層，促進了源于鎵膜的超導近鄰效應。同時，開發出一種無光刻的范德華隧道結，并且在一個5-10層BST/Gr/Ga結構的狄拉克表面態形成了穩定的、近鄰效應誘導的超導間隙。單個Abrikosov渦旋的存在表明了離散的電導變化。第一作者為Cequn Li，通訊作者為Jun Zhu教授。相關文章以“Proximity-induced superconductivity in epitaxial topological insulator/graphene/gallium heterostructures“為題發表在Nature Materials上，賓夕法尼亞州立大學的官網也報道了這一重要進展，該成果為實現量子計算機的規模化應用找到了一種可實現晶圓級量產的材料體系。

• 【核心創新點】
• 高質量的(Bi,Sb)₂The₃/Gr/Ga異質結有望實現晶圓級量產，為量子計算的應用掃除關鍵障礙
• 【數據概覽】

圖1 外延生長的BST/Gr/Ga異質結構以及隧道結器件的制備?2023 Springer Nature

(a)生長示意圖，(b)截面掃描隧道顯微鏡圖，(c)范德華隧道，器件結構及不同的隧道電導測試示意圖，(d)h-BN/石墨烯/2L h-BN的光學圖像，(e)標有4個隧道連接的設備?02T-5QL的光學圖像。

圖2 BST/Gr/Ga異質結構中共存的狄拉克表面態及超導性?2023 Springer Nature

(a)5QL的BST/Gr/Ga室溫能帶圖，(b) 從02T-5QL器件得到的dI/dV?與?V_dc?曲線，(c)選定電場中的電阻隨溫度變化圖，(d)平面外臨界場H_c2隨溫度變化圖。

圖3 BST/Gr/Ga異質結構的超導近鄰效應 ?2023 Springer Nature

(a)兩間隙隧道示意圖及相應的態密度圖，(b) 特定溫度下在器件dI/dV?與?V_dc?曲線，(c)特定溫度下在器件02T-5QL?中接觸點1和5的獲取的dI/dV?與?V_dc?曲線，(d)c基于雙間隙BTK模型對(c)圖0.32k的擬合結果，(e)BTK模型擬合結果中獲取的?Δ_S?and?Δ_I?隨溫度變化曲線，(f)4個不同結G₁₅–G₄₅獲取的dI/dV?與?V_dc?曲線。

圖4 隧道電導中渦旋俘獲和單渦旋特征的證據 ?2023 Springer Nature

• 【成果啟示】

本文開發了一種可用于實現拓撲超導性的基于BST/Gr/Ga異質結構的可拓展平臺。同時發現了利用分子外研法制備的BST/Gr/Ga狄拉克表面態上存在超導鄰近誘導超導間隙，并且在隧道電導中存在Abrikosov渦旋甚至單渦旋。結合限制異質外延和分子束外延法，該文為研究新型超導和磁性異質結提供了新思路。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41563-023-01478-4

本文由搬磚仔兒供稿