石墨烯超导量子干涉装置为量子和超导研究提供新思路
超导量子干涉仪是一种能够将磁场的微小变化转换为可测量的电压，其实质上是一种磁通传感器，是目前为止测量磁场灵敏度高的仪器，能够分辨相当于十亿分之一的地磁场变化。作为灵敏度极高的磁传感器，超导量子干涉仪在生物磁测量、大地测量、无损探伤等方面获得了广泛的应用，如心磁仪、脑磁图仪、超导全张量磁梯度测量装置等。 超导量子干涉仪由于其广泛的用途一直是超导应用研究最为活跃的领域之一。低温超导量子干涉仪由于其成熟的技术，在目前应用中仍然处于主导地位，并且还拥有很大的市场。而高温超导量子干涉仪由于其费用低廉，一直是研究的热点，其主要被应用在无损检测以及心磁测量方面。 然而，磁屏蔽问题和冷却问题一直是超导量子干涉仪应用的障碍。液氮的价格昂贵，技术复杂，使得其实际应用并不广泛。近日，瑞士苏黎世联邦理工学院固态物理实验室的克劳斯·恩斯林团队利用石墨烯，制造出了首个超导量子干涉装置，并将其用于演示超导准粒子的干涉。 石墨烯是目前已知最薄、强度最高、导电导热性能最好的新型纳米材料。随着研究的不断深入，石墨烯的更多特性也逐渐浮出水面。魔角扭曲双层石墨烯是近几年的研究重点。 在扭曲魔角附近，双层石墨烯会从弱关联的费米液体转变为强关联的二维电子系统，其电学特性对载流子密度和环境因素(如附近栅极的接近度和扭曲角的变化)非常敏感。伴随着扭曲转角的变化，魔角扭曲双层石墨烯会展现出超导性、相互作用诱导的绝缘态、磁性、电子向列性、低温线性电阻率和量子化反常霍尔态等一系列独特的物理性质。 大约在一年前，恩斯林团队就已经证明，扭转双层石墨烯可用于制造超导设备的基本组成部分约瑟夫森结。然而，研究团队并不满足于这种突破，因为这些石墨烯超导量子干涉仪相比传统的铝制超导量子干涉仪没有太大的优势，并且和传统超导量子干涉仪一样的是它也必须冷却到接近绝对零度的水平(绝对零度以上2度)。 恩斯林团队建立在先前的门定义结构实现的基础上，并在魔角扭曲双层石墨烯中形成超导量子干涉装置，其中超导相位差通过磁场进行控制。研究团队观察到临界电流的磁振荡，证明了有效电荷为2e的超导电荷载流子的长程相干性。研究团队还通过静电控制对结的临界电流来调谐到不对称和对称超导量子干涉仪配置。这种可调性使他们能够研究器件中的电感，找到高达2μH的值。 在量子技术中，超导量子干涉仪可以容纳量子比特，因此可用作执行量子操作的元件。此外，通常情况下，晶体管由硅制成，超导量子干涉仪由铝制成，不同材料需要不同加工技术，但现在它们都可由石墨烯制成，意味着可以在单一材料中结合半导体的晶体管和超导体制成新型超导量子干涉仪。 尽管目前还没有一个理论模型来解释石墨烯内存在不同的超导相，但最新的研究成果将为超导研究带来新的可能性，有了这些组件，也许能更好地理解石墨烯中的超导性是如何产生的。我们可以期待石墨烯的巨大应用潜能。同时，作为一种微弱磁场测量技术，超导量子干涉仪在未来数十年仍将有着极其诱人的前景和潜在的巨大市场。
