研究人员成功制备可在空气中稳定存在的超薄超导体

超薄超导材料仅有一个或几个原子的厚度，其独特性质可被科学家用于制造更紧凑、可扩展且高效的量子器件。然而，这类脆弱材料在空气中降解速度极快，给研究和制造带来了极大困难。

如今，来自麻省理工学院及其他机构的研究人员发现并利用了一种新方法，能够生成大面积、均匀且在空气中保持稳定的超薄超导材料。

他们将一种名为二硒化铌的超导材料"生长"在另一种原子级薄层碳基石墨烯的下方。石墨烯层一方面保护脆弱的超导体免受氧化，另一方面引导其在大面积晶圆尺度上均匀平整地生长。

研究人员进一步将这种在空气中稳定的超导体集成到超导微波电路中。测试结果表明，该材料保持了其超导特性，并表现出高动态电感，这一特性对许多量子器件而言具有重要价值。

从长远来看，这一进展有助于缩小超导量子计算硬件的尺寸，同时推动用于通信或宇宙学的超灵敏量子探测器等技术的发展。

"仅有单原子层厚度的新型超导体拥有巨大潜力。得益于我们的新工艺，这类材料不再局限于极小规模的制备。科学家们现在有了令人兴奋的机会来研究这些材料，将其应用于电路，并探索其实际应用价值。"共同第一作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学系（EECS）博士生郑旭东（Xudong Sheldon Zheng）表示。

论文的共同第一作者还包括EECS博士生萨梅亚·扎曼（Sameia Zaman）和麻省理工学院电子研究实验室（RLE）近期博士后柯南·张（Kenan Zhang）；通讯作者包括威廉·D·奥利弗（William D. Oliver）教授、纽约大学助理教授乔尔·王（Joel Wang）以及麻省理工学院的孔静（Jing Kong）教授。参与研究的机构还包括麻省理工学院林肯实验室、莱斯大学、耶鲁大学和韩国浦项大学。相关研究成果今日发表于《自然》（Nature）杂志。

强大的材料特性

超导体是一种能够无阻力地导电的材料，是某些类型量子器件不可或缺的核心组成部分。

二维超导材料尽管厚度仅有几个原子，却仍能保持其超导特性，为超导电路的小型化带来了希望。

二硒化铌是一种超薄超导体，由单层铌原子紧密排列，两侧各夹一层硒原子构成。研究团队近期报告显示，这种材料具有极高的动态电感，使其能够在极小的面积内存储大量感应能量。在小尺寸器件中实现大动态电感，是许多量子器件中备受青睐的设计要素。

目前实现大动态电感的常用方法之一，是将多个约瑟夫森结（Josephson junction）串联成阵列。

如果科学家能将具有足够大动态电感的二硒化铌等薄层材料集成到量子电路中，就可以用一小片薄膜材料替代大面积的电子结阵列，从而使电路更加紧凑。然而，由于二硒化铌在空气中降解速度极快，科学家一直无法在晶圆尺度上可靠地制备器件，只能依赖剥离技术获得小片碎片。此外，研究人员在制备具有均匀单层厚度的材料方面也面临重重困难，这使得全面研究其特性或测试其实际应用极为不易。

"通常，一旦我们制备好材料并将其从惰性环境中取出，它就会立即开始氧化和降解，最终遭到破坏。"郑旭东解释道。

科学家通常通过将化学前驱体沉积到二氧化硅衬底上来生长二硒化铌，随后在其上方覆盖石墨烯或六方氮化硼等二维材料层，以保护脆弱的超导体免受空气侵蚀。

然而，这种"后生长保护"方法存在一个难题：超导体在合成后几乎立即开始氧化，在受到保护之前其特性就已发生退化。与此同时，保护过程需要严格的惰性环境和精细的工艺操作。

巧用界面间隙

麻省理工学院的研究人员采取了一种不同的策略：他们先将石墨烯层放置在二氧化硅衬底上，再沉积前驱体，让超导材料在两层之间的微小间隙中生长。

"我们花了很长时间才弄清楚材料是如何在石墨烯下方生长的。通过合作与讨论，我们最终揭示了在界面处生长材料的机制。这一发现解决了许多问题，同时使我们的制备步骤得以简化。"郑旭东说道。

二氧化硅衬底有助于将前驱体留存足够长的时间，以便晶体开始形核；而石墨烯层则使前驱体能够自由移动并扩展成连续的单层薄膜。

研究人员利用这项技术，成功制备出面积超过一英寸、表面完全平滑的二硒化铌薄层。

"通过精细调控生长条件，我们能够确保材料按照我们的设计方式在两层之间生长。"郑旭东表示。

尽管石墨烯被放置在二氧化硅之上，但两者之间的弱附着力形成了不到1纳米厚的间隙，二硒化铌正是在这一间隙中生长。由于材料已被石墨烯封装，研究人员可以安全地将其转移至大气环境中，而不会引发降解。

精准互连

研究人员还设计了一种无氧化转移技术，用于将石墨烯-二硒化铌结构从生长衬底上剥离，这是在团队前期研究基础上的进一步发展。

此外，他们还开发了一种将薄膜集成到量子电路中的方法，以避免对脆弱的超导体及其特性造成损害。

"在厚度仅约1纳米的极薄材料与厚度达数百纳米的电极之间建立良好的电气连接，是一项极具挑战性的工作。"扎曼说道。

研究人员在真空腔中对超薄膜超导体的侧壁进行了精细刻蚀，以保留材料边缘的平滑度。当他们将制备好的铌-石墨烯结构集成到传统超导电路中时，形成了可靠的电气连接。值得注意的是，该材料在洁净室加工和电路集成后，仍保持了超导特性并展现出高动态电感，这使其在制造紧凑型超导量子器件及其他量子技术方面具有极大吸引力。

此外，这一生长策略并不局限于单层二硒化铌，研究人员已证明其可推广至具有多种重要技术特性的单层量子材料大家族。

未来，研究人员计划将这些超薄超导材料集成到功能性器件架构中，以探索基础物理学并推进量子器件及其他先进技术的原型开发。

"我们在探索这种单层超导体的物理特性与应用潜力方面迈出了重要一步。现在，我们已能在晶圆尺度乃至更大范围内实现其生长，未来有很多方向值得深入探索。"扎曼表示。

本研究获得了美国陆军研究办公室、美国国家科学基金会、斯伦贝谢基金会、美国能源部、美国空军科学研究办公室、半导体研究公司研究中心、麻省理工学院士兵纳米技术研究所以及韩国国家研究基金会的部分资助，部分研究工作在麻省理工学院MIT.nano设施中完成。

Q&A

Q1：二硒化铌为什么适合用于量子器件？

A：二硒化铌是一种超薄超导材料，厚度仅相当于几个原子，具有极高的动态电感，能在极小面积内存储大量感应能量。这意味着它可以替代传统量子电路中体积较大的约瑟夫森结阵列，从而让量子器件变得更加紧凑、高效。

Q2：麻省理工学院的研究人员是如何解决二硒化铌在空气中容易降解的问题的？

A：研究人员采用了一种"先铺石墨烯、再生长超导体"的新方法。他们先将石墨烯层放在二氧化硅衬底上，再在两层之间不到1纳米的微小间隙中生长二硒化铌。由于材料在生长完成时就已被石墨烯封装保护，无需额外的后处理保护步骤，可直接在大气环境中取出使用，有效避免了氧化降解问题。

Q3：这项超薄超导体技术未来有哪些应用前景？

A：这项技术有望推动多个领域的发展，包括超导量子计算硬件的小型化，以及用于通信、宇宙学等领域的超灵敏量子探测器。此外，该生长方法还可推广到其他单层量子材料，为探索基础物理以及更广泛的量子技术原型开发提供新的可能性。