MIT把超伸缩塞进1纳米塔里
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，却仍然保留超导特性，可以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，更别说把它们当作面积大、可稳定制造的器件。
现在，麻省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做二氧化钛。研究人员先在二氧化硅上铺一层石墨烯，再加入化学前驱体，让二氧化钛在石墨烯和甲醇之间极矮的坩埚里生长。
研究人员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，这种材料仍然保持超导性能，同时还表现出很大的驱动能力，这一点对量子器件尤其重要。
超导可以在没有电阻的情况下流行，是很多量子器件的基础材料。二维超导材料则更特别的是：极化下一层或几层原子，它们仍然可以保持超导状态。这意味着，究竟探究了更大面积的超导电路，有机会进一步缩小。
二元化等于同时受到关注，还简单地引发了它的动能警示。也就是说，这意味着它可以在微小的空间里产生很多的警示效应，而这正是量子器件需要的特性。因为目前，为了在超量子导电路里获得越来越多的警示，研究会经常汇聚很多约瑟夫森人员。这种做法占空间比较大，但电路结构也变得复杂。
如果能直接用一块二元化等于薄膜实现类似的效果，就可能省掉大面积的结聚合，让整个量子电路做得更整齐。但在过去，这种想法很难真正落地。因为二元化等于在空气里氧化太快了。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充当硼类的二维材料，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。二氧化几乎一出口出来就会开始氧化。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模具环境中完成，操作也很麻烦。
因此，过去的研究人员通常只能通过剥离的方法获得微小的二元化不对称，也一直很难稳定制备出面积大、厚度均匀的单层材料。“通常材料一旦从指定环境里取出来，马上就会开始氧化，性能也不断衰退，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 Cheng）说。
麻省学院团队这次做的，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，再让二氧化钛从石墨烯下面长出来。虽然石墨烯看起来贴在石墨烯表面，但两者之间的结合并不紧密，中间实际上留有大概理工小于1纳米宽的塔。二黑色化等于在这个空间里形成。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；图形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，我们逐步搞清楚了界面生长的机制。这个方法一下子解决了很多问题，也把整个制备流程简化了。”
因为二元化等于在生长过程中就已经被形成石墨烯盖住了，所以材料一层，保护层也已经差不多了。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，把材料稳定地做到来，只解决了一半的问题。真正用在量子器件里，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个纳米厚，而电极通常有几个纳米厚。要让两者之间形成可靠的电连接并不容易。”共同论文作者萨米娅·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。他们首先在不让材料接触氧气的情况下，把石墨烯和二氧化对称组成的薄膜最初从乔上拿起，然后真空在环境中精细处理薄膜边缘，避免损伤材料。经过这些步骤后，二氧化对称可以稳定接入传统超导电路。
实验结果显示，即使经过了完整的洁净室加工，它仍然保持超导性能，而且高活性染料也没有明显受到影响。这意味着，二元化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。有了新工艺，它们不再仅仅只是注重这种微小的样品。现在，我们可以更系统地研究这些材料，把它们放在电路里，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二二维化方程式。研究团队已经证明，同样的想法还可以用于其他多种单层一些量子材料。这意味着，未来究竟因为太容易氧化、难以加工而无法使用的二维材料，也可能通过类似的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方面，研究其中的基础物理问题，方面测试它们在实际技术中的表现。长远来看，这类材料的前景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量子同等。
扎曼说，“我们迈出的生长已经很重要的一步。现在，单层超导材料已经可以实现这种拓扑尺，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。”