MIT把超导体塞进1纳米缝隙里，量子芯片还能继续缩小

(来源：MIT News）

超薄超导材料只有一层或几层原子厚，它们一直被认为很适合用来做下一代量子器件。因为它们足够薄，却依然保留超导特性，可以让让量子电路变得更小、更容易集成。

但问题也很明显：这类材料太脆弱了。很多超薄超导材料一接触空气就会迅速氧化，性能随之下降。也正因为如此，科学家很难长时间研究它们，更别说把它们做成大面积、可稳定制造的器件。

现在，麻省理工学院的研究人员找到了一种办法：让超导材料直接长在石墨烯下面。他们使用的超导材料叫二硒化铌。研究人员先在二氧化硅基底上铺一层石墨烯，再加入化学前驱体，让二硒化铌在石墨烯和基底之间极窄的缝隙里生长。

这样一来，石墨烯从一开始就盖在超导材料上方。它不仅可以隔绝空气，防止二硒化铌氧化，还能帮助材料沿着界面均匀铺开，最终形成平整、连续的大面积薄膜。用这种方法，研究团队成功制备出了尺寸超过 1 英寸的二硒化铌薄膜，而且厚度非常均匀。更关键的是，这层材料长出来时就已经被石墨烯保护起来，因此即使之后暴露在普通空气中，也不会马上退化。

研究人员随后又把它接入了超导微波电路。实验发现，即使经过洁净室加工和电路集成，这种材料依然保持超导性能，同时还表现出很高的动能电感。这一点对量子器件尤其重要。

超导体可以在没有电阻的情况下传导电流，是很多量子器件的基础材料。二维超导材料则更特别：哪怕只剩下一层或几层原子，它们仍然可以保持超导状态。这意味着，原本占据较大面积的超导电路，有机会进一步缩小。

二硒化铌之所以受到关注，还因为它的动能电感很高。简单来说，这意味着它可以在很小的空间里产生很强的电感效应，而这正是很多量子器件需要的特性。目前，为了在超导量子电路里获得较大的电感，研究人员经常会串联很多约瑟夫森结。但这种做法比较占空间，电路结构也会变得复杂。

如果能直接用一小块二硒化铌薄膜实现类似效果，就可能省掉大面积的结阵列，让整个量子电路做得更紧凑。但在过去，这种想法很难真正落地。因为二硒化铌在空气里氧化得太快。传统做法通常是先把材料长出来，再在上面覆盖石墨烯或六方氮化硼之类的二维材料，给它加一层保护。

但问题是，材料从生长完成到真正被保护起来，中间总有一段空档。二硒化铌几乎一暴露出来就会开始氧化。等保护层盖上去时，材料的性能往往已经受到影响。而且整个过程需要在严格控制的惰性环境中完成，操作也很麻烦。

因此，过去研究人员通常只能通过剥离的方法得到很小的二硒化铌薄片，也一直很难稳定制备出大面积、厚度均匀的单层材料。“通常材料一旦从惰性环境里拿出来，就会立刻开始氧化，性能也会不断下降，最后甚至完全损坏。”论文共同第一作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学系研究生郑旭东（Xudong Sheldon Zheng）说。

麻省理工学院团队这次做的，其实就是把顺序反了过来。他们没有先长超导材料、再盖保护层，而是先把石墨烯铺好，再让二硒化铌从石墨烯下面长出来。虽然石墨烯看起来贴在二氧化硅表面，但两者之间的结合并不紧密，中间实际上留有一道不到 1 纳米宽的缝隙。二硒化铌正是在这个空间里形成。二氧化硅表面可以让前驱体停留足够长的时间，让晶体开始形成；石墨烯则让这些物质能沿着界面移动并逐渐铺开，最后长成连续的单层薄膜。

“我们花了很长时间才真正弄明白，材料为什么能在石墨烯下面生长。”郑旭东说，“后来通过合作和讨论，我们逐渐搞清楚了界面生长的机制。这个方法一下解决了很多问题，也把整个制备流程简化了。”

因为二硒化铌在生长过程中就已经被石墨烯盖住，所以材料一形成，保护层也已经到位。这让研究人员可以把它直接拿到空气中，不必担心它马上氧化。不过，把材料稳定地做出来，只解决了一半问题。真正要用在量子器件里，还得想办法把这层只有大约 1 纳米厚的材料接进电路。

“这种材料只有大约 1 纳米厚，而电极通常有几百纳米厚。要让两者之间形成可靠的电连接并不容易。”论文共同第一作者萨米娅·扎曼（Sameia Zaman）说。

研究团队为此设计了一套新的转移和加工方法。他们先在不让材料接触氧气的情况下，把石墨烯和二硒化铌组成的薄膜从原来的基底上取下来，再在真空环境中精细处理薄膜边缘，尽量避免损伤材料。经过这些步骤后，二硒化铌可以稳定接入传统超导电路。

实验结果显示，即使经历了完整的洁净室加工，它依然保持超导特性，而且高动能电感也没有明显受到影响。这意味着，二硒化铌不再只是一种只能在严格实验条件下研究的脆弱材料，而是开始具备真正进入器件制造的可能。

郑旭东说，“单层超导材料一直很有潜力。有了这种新工艺，它们不再只能做成很小的样品。现在，我们可以更系统地研究这些材料，把它们放进电路里，也能真正开始探索它们能拿来做什么。”

而且，这种方法并不只适用于二硒化铌。研究团队已经证明，同样的思路还可以用于其他多种单层量子材料。这意味着，未来一些原本因为太容易氧化、难以加工而无法使用的二维材料，也可能通过类似方式实现大面积制备。

接下来，研究人员计划把这些超薄超导材料进一步做进真正可工作的量子器件里，一边研究其中的基础物理问题，一边测试它们在实际技术中的表现。长期来看，这类材料有望进一步缩小超导量子计算硬件，也可能被用于制造通信和宇宙学研究中的高灵敏度量子探测器。

扎曼说，“我们已经迈出了很重要的一步。现在，这种单层超导材料已经可以做到晶圆尺度，甚至更大的面积。无论是研究它的物理性质，还是开发实际应用，后面都有很多值得继续探索的方向。”

https://news.mit.edu/2026/researchers-make-air-stable-ultrathin-superconductors-more-scalable-quantum-devices-0805