麻省理工学院的研究人员，成功将一种由原子薄层碳组成的“神奇”材料变成了三种有用的电子设备。

通常，这类器件都是量子电子业的关键，它们是由需要多个制作步骤的各种材料制成的。而麻省理工学院的方法，自动解决了与那些更复杂的过程相关的各种问题。

这项工作可能会开创新一代量子电子设备的应用，包括量子计算。此外，这些设备可以是超导的，或能实现无电阻导电。值得注意的是，他们通过一种非常规的机制做到了这一点，随着进一步的研究，可能会给超导物理学提供新的见解。

研究人员在2021年5月3日的《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上报告了他们的研究结果，曹原为共同通讯作者。

“在这项工作中，我们已经证明了魔法角石墨烯是所有超导材料中用途最广泛的，它允许我们在一个单一系统中实现多种量子电子设备。利用这个先进的平台，我们已经能够第一次探索只出现在二维空间的新型超导物理。”麻省理工学院塞西尔和艾达格林物理学教授、这项工作的带头人Pablo Jarillo-Herrero表示。

这种新的“神奇”材料是基于石墨烯打造而成的——它比钻石更强，透明，灵活，还易于导热和导电。

2018年，Jarillo-Herrero团队有了一个惊人的发现，涉及两层石墨烯，一层叠加在另一层上。他们发现，这两层并不是完全重叠的——相反，其中一个以1.1度的“魔角”轻微旋转。

由此产生的结构，使石墨烯可以成为超导体或绝缘体(阻止电流流动)，这取决于电场提供的系统中的电子数量。从本质上讲，该团队能够通过改变旋钮处的电压，将石墨烯调整到完全不同的状态。

这种整体上的“神奇”材料，正式名称为“魔角扭曲双层石墨烯”(MATBG)，已经引起了研究界的强烈兴趣，甚至激发了一个新的领域(扭曲电子学)。这也是当前工作的核心。

2018年，Jarillo-Herrero和同事通过单个电极或金属栅极改变了提供给这种神奇材料的电压。在目前的工作中，“我们引入了多个门，使材料的不同领域受到不同的电场，”Daniel Rodan-Legrain说，他是一名物理学研究生，也是最新论文的主要作者。

基于此，研究小组就能将同一种神奇材料的不同部分调整为从超导到绝缘到介于两者之间的多种电子态。然后，通过应用不同配置的栅极，他们能够复制通常用完全不同的材料制造的电子电路的所有部分。

最终，该团队使用这种方法创造了三种不同的可工作的量子电子设备。这些设备包括约瑟夫森结（Josephson junction，也称为超导开关）。约瑟夫森结是超导量子计算机背后的量子比特或量子位的组成部分。它们也有各种各样的其他应用，比如与能够非常精确地测量磁场的设备相结合。

该团队还创造了两个相关的设备：一个光谱隧穿设备和一个单电子晶体管。光谱隧道装置是研究超导电性的关键；而单电子晶体管则是非常灵敏的电流控制装置，可以产生一次一个电子的电流，对电场极为敏感。

这三种设备都受益于由单一的电子可调材料制成。那些由多种材料制成的传统材料面临着各种各样的挑战。例如，不同的材料可能不兼容。

MATBG具有显著的性能，它的电气性能——金属、超导、绝缘等——可以通过对附近的栅极施加电压来确定。在这项工作中，Rodan-Legrain等人已经证明，他们可以通过对单一的MATBG薄片进行电气门控，制造包含超导、正常和绝缘区域的相当复杂的设备。

传统的方法是用不同的材料分几个步骤来制造该设备。而使用MATBG，通过简单地改变栅极电压，产生的器件可以完全重新配置。这些MATBG隧道器件在单一材料中具有多种功能，可应用于石墨烯基可调谐超导量子比特、片上超导电路和电磁传感，还能与相关设备结合用于超精细的磁场测量。

《自然·纳米技术》论文中描述的工作，为许多潜在的未来进展铺平了道路。例如，Rodan-Legrain说，它可以用来用单一材料创造第一个电压可调的量子位元，这可以应用于未来的量子计算机。

此外，由于新系统能够对MATBG中神秘的超导性进行更详细的研究，而且相对容易操作，该团队希望它能让我们深入了解高温超导体的产生。目前的超导体只能在很低的温度下工作。