超薄超導材料
僅有一個或幾個原子的厚度，其獨特性質可被科學家用於製造更緊湊、可擴展且高效的量子器件。然而，這類脆弱材料在空氣中降解速度極快，給研究和製造帶來了極大困難。
如今，來自麻省理工學院及其他機構的研究人員發現並利用了一種新方法，能夠生成大面積、均勻且在空氣中保持穩定的超薄超導材料。
他們將一種名為二硒化鈮的超導材料"生長"在另一種原子級薄層碳基石墨烯的下方。石墨烯層一方面保護脆弱的超導體免受氧化，另一方面引導其在大面積晶圓尺度上均勻平整地生長。
研究人員進一步將這種在空氣中穩定的超導體集成到超導微波電路中。測試結果表明，該材料保持了其超導特性，並表現出高動態電感，這一特性對許多量子器件而言具有重要價值。
從長遠來看，這一進展有助於縮小超導量子計算硬體的尺寸，同時推動用於通信或宇宙學的超靈敏量子探測器等技術的發展。
"僅有單原子層厚度的新型超導體擁有巨大潛力。得益於我們的新工藝，這類材料不再局限於極小規模的製備。科學家們現在有了令人興奮的機會來研究這些材料，將其應用於電路，並探索其實際應用價值。"共同第一作者、麻省理工學院電氣工程與電腦科學系（EECS）博士生鄭旭東（Xudong Sheldon Zheng）表示。
論文的共同第一作者還包括EECS博士生薩梅亞·扎曼（Sameia Zaman）和麻省理工學院電子研究實驗室（RLE）近期博士後柯南·張（Kenan Zhang）；通訊作者包括威廉·D·奧利弗（William D. Oliver）教授、紐約大學助理教授喬爾·王（Joel Wang）以及麻省理工學院的孔靜（Jing Kong）教授。參與研究的機構還包括麻省理工學院林肯實驗室、萊斯大學、耶魯大學和韓國浦項大學。相關研究成果今日發表於《自然》（Nature）雜誌。
強大的材料特性
超導體是一種能夠無阻力地導電的材料，是某些類型量子器件不可或缺的核心組成部分。
二維超導材料儘管厚度僅有幾個原子，卻仍能保持其超導特性，為超導電路的小型化帶來了希望。
二硒化鈮是一種超薄超導體，由單層鈮原子緊密排列，兩側各夾一層硒原子構成。研究團隊近期報告顯示，這種材料具有極高的動態電感，使其能夠在極小的面積內儲存大量感應能量。在小尺寸器件中實現大動態電感，是許多量子器件中備受青睞的設計要素。
目前實現大動態電感的常用方法之一，是將多個約瑟夫森結（Josephson junction）串聯成陣列。
如果科學家能將具有足夠大動態電感的二硒化鈮等薄層材料集成到量子電路中，就可以用一小片薄膜材料替代大面積的電子結陣列，從而使電路更加緊湊。然而，由於二硒化鈮在空氣中降解速度極快，科學家一直無法在晶圓尺度上可靠地製備器件，只能依賴剝離技術獲得小片碎片。此外，研究人員在製備具有均勻單層厚度的材料方面也面臨重重困難，這使得全面研究其特性或測試其實際應用極為不易。
"通常，一旦我們製備好材料並將其從惰性環境中取出，它就會立即開始氧化和降解，最終遭到破壞。"鄭旭東解釋道。
科學家通常通過將化學前驅體沉積到二氧化矽襯底上來生長二硒化鈮，隨後在其上方覆蓋石墨烯或六方氮化硼等二維材料層，以保護脆弱的超導體免受空氣侵蝕。
然而，這種"後生長保護"方法存在一個難題：超導體在合成後幾乎立即開始氧化，在受到保護之前其特性就已發生退化。與此同時，保護過程需要嚴格的惰性環境和精細的工藝操作。
巧用界面間隙
麻省理工學院的研究人員採取了一種不同的策略：他們先將石墨烯層放置在二氧化矽襯底上，再沉積前驅體，讓超導材料在兩層之間的微小間隙中生長。
"我們花了很長時間才弄清楚材料是如何在石墨烯下方生長的。通過合作與討論，我們最終揭示了在界面處生長材料的機制。這一發現解決了許多問題，同時使我們的製備步驟得以簡化。"鄭旭東說道。
二氧化矽襯底有助於將前驅體留存足夠長的時間，以便晶體開始形核；而石墨烯層則使前驅體能夠自由移動並擴展成連續的單層薄膜。
研究人員利用這項技術，成功製備出面積超過一英寸、表面完全平滑的二硒化鈮薄層。
"通過精細調控生長條件，我們能夠確保材料按照我們的設計方式在兩層之間生長。"鄭旭東表示。
儘管石墨烯被放置在二氧化矽之上，但兩者之間的弱附著力形成了不到1納米厚的間隙，二硒化鈮正是在這一間隙中生長。由於材料已被石墨烯封裝，研究人員可以安全地將其轉移至大氣環境中，而不會引發降解。
精準互連
研究人員還設計了一種無氧化轉移技術，用於將石墨烯-二硒化鈮結構從生長襯底上剝離，這是在團隊前期研究基礎上的進一步發展。
此外，他們還開發了一種將薄膜集成到量子電路中的方法，以避免對脆弱的超導體及其特性造成損害。
"在厚度僅約1納米的極薄材料與厚度達數百納米的電極之間建立良好的電氣連接，是一項極具挑戰性的工作。"扎曼說道。
研究人員在真空腔中對超薄膜超導體的側壁進行了精細刻蝕，以保留材料邊緣的平滑度。當他們將製備好的鈮-石墨烯結構集成到傳統超導電路中時，形成了可靠的電氣連接。值得注意的是，該材料在潔淨室加工和電路集成後，仍保持了超導特性並展現出高動態電感，這使其在製造緊湊型超導量子器件及其他量子技術方面具有極大吸引力。
此外，這一生長策略並不局限於單層二硒化鈮，研究人員已證明其可推廣至具有多種重要技術特性的單層量子材料大家族。
未來，研究人員計劃將這些超薄超導材料集成到功能性器件架構中，以探索基礎物理學並推進量子器件及其他先進技術的原型開發。
"我們在探索這種單層超導體的物理特性與應用潛力方面邁出了重要一步。現在，我們已能在晶圓尺度乃至更大範圍內實現其生長，未來有很多方向值得深入探索。"扎曼表示。
本研究獲得了美國陸軍研究辦公室、美國國家科學基金會、斯倫貝謝基金會、美國能源部、美國空軍科學研究辦公室、半導體研究公司研究中心、麻省理工學院士兵納米技術研究所以及韓國國家研究基金會的部分資助，部分研究工作在麻省理工學院MIT.nano設施中完成。
Q&A
Q1：二硒化鈮為什麼適合用於量子器件？
A：二硒化鈮是一種超薄超導材料，厚度僅相當於幾個原子，具有極高的動態電感，能在極小面積內儲存大量感應能量。這意味著它可以替代傳統量子電路中體積較大的約瑟夫森結陣列，從而讓量子器件變得更加緊湊、高效。
Q2：麻省理工學院的研究人員是如何解決二硒化鈮在空氣中容易降解的問題的？
A：研究人員採用了一種"先鋪石墨烯、再生長超導體"的新方法。他們先將石墨烯層放在二氧化矽襯底上，再在兩層之間不到1納米的微小間隙中生長二硒化鈮。由於材料在生長完成時就已被石墨烯封裝保護，無需額外的後處理保護步驟，可直接在大氣環境中取出使用，有效避免了氧化降解問題。
Q3：這項超薄超導體技術未來有哪些應用前景？
A：這項技術有望推動多個領域的發展，包括超導量子計算硬體的小型化，以及用於通信、宇宙學等領域的超靈敏量子探測器。此外，該生長方法還可推廣到其他單層量子材料，為探索基礎物理以及更廣泛的量子技術原型開發提供新的可能性。
