Supraleiter unter Graphen: MIT-Team knackt Waferskala für Quantenchips

Ultradünne Supraleiter aus einer einzigen Atomlage gelten als Schlüsselmaterial für kompaktere Quantengeräte. Ihr großes Problem: An Luft zersetzen sie sich innerhalb von Minuten. Forscher:innen des MIT haben nun ein Verfahren entwickelt, das dieses Hindernis beseitigt und erstmals großflächige, luftstabile Schichten des Supraleiters Nioboxid-Diselenid ermöglicht. Die Arbeit könnte den Weg zu deutlich kompakteren supraleitenden Quantencomputern sowie hochempfindlichen Detektoren für Kommunikation und Kosmologie ebnen.

Wachstum unter einer Schutzschicht aus Graphen

Das Team um Xudong Sheldon Zheng lässt das empfindliche Material direkt unter einer Schicht aus Graphen wachsen, statt es wie bisher üblich nachträglich abzudecken. Dazu platzieren die Forscher:innen zuerst Graphen auf einem Substrat aus Siliziumdioxid. Anschließend leiten sie Vorläufersubstanzen ein, die im weniger als einen Nanometer schmalen Spalt zwischen beiden Schichten den Supraleiter bilden. Das Siliziumdioxid hält die Vorläufersubstanzen lange genug fest, damit sich Kristalle bilden können, während das Graphen ihnen erlaubt, sich zu einer durchgehenden, gleichmäßigen Monolage auszubreiten. Da der Supraleiter von Anfang an vom Graphen eingeschlossen ist, oxidiert er nicht mehr, sobald ihn die Forscher:innen der Umgebungsluft aussetzen.

Schichten von mehr als zwei Zentimetern Größe

Mit dieser Methode erzeugte das Team eine völlig glatte Nioboxid-Diselenid-Schicht von über einem Zoll Größe. Bisherige Verfahren lieferten lediglich winzige, durch Abblätterungstechniken gewonnene Flocken mit ungleichmäßiger Dicke. Die neue Schicht dagegen wächst gleichmäßig über eine ganze Waferfläche und lässt sich zudem gefahrlos vom Wachstumssubstrat lösen, ohne dabei Schaden zu nehmen. Damit können Forscher:innen das Material erstmals systematisch untersuchen und in größerem Maßstab für Experimente und Anwendungen bereitstellen.

Erfolgreicher Test in einer Quantenschaltung

Um das Material praktisch nutzbar zu machen, entwickelten Sameia Zaman und ihre Kolleg:innen zusätzlich eine Methode, die dünne Schicht mit deutlich dickeren Elektroden elektrisch zuverlässig zu verbinden. Dafür ätzen sie die Seitenwände des Films in einer Vakuumkammer, was glatte Kanten erhält. Nach der Integration in eine konventionelle supraleitende Schaltung behielt das Material seine supraleitenden Eigenschaften sowie eine hohe kinetische Induktivität bei, eine Eigenschaft, die viele Quantengeräte benötigen. Bislang erreichen Ingenieur:innen große kinetische Induktivitäten meist durch Ketten aus zahlreichen Josephson-Kontakten. Ein einziges dünnes Materialstück könnte diese aufwendigen Anordnungen künftig ersetzen und Schaltungen dadurch erheblich verkleinern.

Anwendbar auf weitere Materialien

Das Wachstumsverfahren beschränkt sich laut den Forscher:innen nicht auf Nioboxid-Diselenid. Sie zeigten, dass sich die Technik auf eine ganze Familie monolagiger Quantenmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften übertragen lässt. Als Nächstes wollen die Wissenschaftler:innen die Schichten in funktionierende Bauteile integrieren und damit sowohl Grundlagenphysik erforschen als auch Prototypen für Quantendetektoren und supraleitende Quantencomputer entwickeln.

via MIT