Materiais supercondutores ultrafinos, com apenas um ou alguns átomos de espessura, possuem propriedades únicas que os cientistas podem aproveitar para produzir dispositivos quânticos mais compactos, escaláveis e eficientes. No entanto, esses materiais frágeis se degradam tão rapidamente no ar que são difíceis de estudar ou fabricar.

Agora, pesquisadores do MIT e de outras instituições descobriram e desenvolveram um método para gerar uma grande área uniforme de material supercondutor ultrafino que permanece estável no ar. 

Eles “cultivam” o material supercondutor, chamado disseleneto de nióbio, sob outro material atomicamente fino, o grafeno à base de carbono. A camada de grafeno protege o frágil supercondutor da oxidação, ao mesmo tempo que o guia para crescer em uma camada uniforme sobre uma grande área em escala de wafer.

Os pesquisadores integraram ainda esse supercondutor estável ao ar em um circuito de micro-ondas supercondutor. Quando testado, o material manteve suas propriedades supercondutoras e exibiu alta indutância cinética, uma característica importante para muitos dispositivos quânticos. 

A longo prazo, esse avanço poderá ajudar a miniaturizar o hardware de computação quântica supercondutora, bem como tecnologias como detectores quânticos ultrassensíveis para comunicações ou cosmologia.

“Os supercondutores emergentes com apenas uma monocamada de espessura têm um enorme potencial. Graças ao nosso novo processo, eles deixaram de ser materiais que só podem ser produzidos em escala muito pequena. Agora, existem oportunidades empolgantes para os cientistas estudarem esses materiais, utilizá-los em circuitos e explorarem suas aplicações práticas”, afirma o coautor principal Xudong Sheldon Zheng, estudante de pós-graduação no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT.

Ele é acompanhado no artigo pelos coautores principais Sameia Zaman SM '24, estudante de pós-graduação em Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS), e Kenan Zhang, recém-doutorando no Laboratório de Pesquisa em Eletrônica (RLE) do MIT; pelos autores correspondentes William D. Oliver, professor titular da Cátedra Henry Ellis Warren (1894) de EECS e professor de física, diretor do Centro de Engenharia Quântica e diretor associado do RLE; Joel Î-j. Wang, professor assistente da Universidade de Nova York; e Jing Kong, professor titular da Cátedra Jerry McAfee (1940) de Engenharia no MIT e membro do RLE; bem como por outros pesquisadores do MIT e do Laboratório Lincoln, da Universidade Rice, da Universidade Yale e da Universidade Pohang, na Coreia do Sul. A pesquisa foi publicada hoje na revista Nature .

Os supercondutores são materiais que podem conduzir eletricidade sem resistência e são essenciais para alguns tipos de dispositivos quânticos. 

Materiais supercondutores bidimensionais retêm suas propriedades supercondutoras apesar de terem apenas alguns átomos de espessura. Esses materiais representam uma promessa para a miniaturização de circuitos supercondutores.

O disseleneto de nióbio, um supercondutor ultrafino composto por uma única camada compacta de átomos de nióbio intercalada entre uma única camada de átomos de selênio em cada lado, possui uma indutância cinética muito alta , conforme relatado recentemente por membros da equipe de pesquisa.

Isso permite que o material armazene uma grande quantidade de energia indutiva em uma área muito pequena. Uma alta indutância cinética em um formato compacto é um elemento de design desejável em muitos dispositivos quânticos. 

Uma abordagem comumente usada para obter uma grande indutância cinética é conectar em série uma matriz de dispositivos chamados junções Josephson.

Se os cientistas conseguissem incorporar materiais como o disseleneto de nióbio em película fina, com indutância cinética suficientemente alta, em um circuito quântico, poderiam substituir a grande área das junções eletrônicas por um minúsculo fragmento de material em película fina, tornando o circuito mais compacto. No entanto, como o disseleneto de nióbio se degrada rapidamente no ar, os cientistas não conseguiram fabricar dispositivos em escala de wafer de forma confiável. Em vez disso, dependem de técnicas de esfoliação que produzem pequenos flocos. Além disso, os pesquisadores têm enfrentado dificuldades para cultivar o material com espessura uniforme de monocamada. Consequentemente, tem sido um desafio investigar completamente suas propriedades ou testá-lo em aplicações práticas.

“Normalmente, assim que produzimos o material e o removemos de seu ambiente inerte, ele começa imediatamente a oxidar e se degradar, acabando por se danificar”, explica Zheng.

Normalmente, os cientistas produzem disseleneto de nióbio depositando precursores químicos sobre um substrato de dióxido de silício. Em seguida, colocam outra camada de material bidimensional, como grafeno ou nitreto de boro hexagonal, por cima, para proteger o supercondutor frágil do ar.

Mas essa proteção pós-crescimento apresenta um desafio. O supercondutor começa a oxidar quase imediatamente após a síntese, degradando suas propriedades antes mesmo de ser protegido. Enquanto isso, o processo de proteção exige um ambiente inerte rigoroso e um processamento delicado.

Os pesquisadores do MIT usaram uma tática diferente. Primeiro, colocaram a camada de grafeno sobre o substrato de dióxido de silício. Em seguida, depositaram os precursores e cultivaram o material supercondutor no minúsculo espaço entre as duas camadas.

“Levamos muito tempo para entender como o crescimento poderia ocorrer sob o grafeno. Por meio de colaboração e discussão, finalmente descobrimos o mecanismo de crescimento do material na interface, e isso resolve muitos problemas e nos permite simplificar nossas etapas de fabricação”, diz Zheng.

O substrato de dióxido de silício ajuda a reter os precursores por tempo suficiente para que o cristal comece a se formar, enquanto a camada de grafeno permite que eles se movam facilmente e se espalhem em uma monocamada contínua.

Os pesquisadores utilizaram essa técnica para gerar uma camada perfeitamente lisa de disseleneto de nióbio com mais de uma polegada de tamanho.

Embora o grafeno seja colocado sobre o dióxido de silício, a fraca adesão entre esses materiais deixa um espaço entre eles com menos de 1 nanômetro de espessura. O disseleneto de nióbio cresce apenas dentro desse espaço. Assim, como já está encapsulado pelo grafeno, os pesquisadores podem removê-lo com segurança para o ambiente externo sem causar degradação.

Os pesquisadores também desenvolveram uma técnica de transferência livre de oxidação para separar a estrutura de grafeno-disseleneto de nióbio de seu substrato de crescimento, com base em trabalhos anteriores de membros da equipe .

Em seguida, desenvolveram um método para integrar a película fina em um circuito quântico sem prejudicar o supercondutor frágil ou suas propriedades.

“É um desafio estabelecer uma boa conexão elétrica entre esse material muito fino, que tem apenas cerca de 1 nanômetro de espessura, e nossos eletrodos, que têm algumas centenas de nanômetros de espessura”, diz Zaman.

Eles gravam cuidadosamente as paredes laterais do supercondutor de película fina em uma câmara de vácuo, o que preserva a borda lisa do material. Quando integram a estrutura de nióbio-grafeno preparada em um circuito supercondutor convencional, ela forma uma conexão elétrica confiável. É importante ressaltar que o material manteve suas propriedades supercondutoras e exibiu alta indutância cinética após a fabricação em sala limpa e a integração ao circuito. Isso o torna particularmente atraente para a fabricação de dispositivos quânticos supercondutores compactos e outras tecnologias quânticas.

Além disso, a estratégia de crescimento não se limita ao disseleneto de nióbio em monocamada. Os pesquisadores demonstraram que ela pode ser estendida a uma ampla gama de materiais quânticos em monocamada com propriedades diversas e tecnologicamente importantes.

No futuro, os pesquisadores pretendem integrar esses materiais supercondutores ultrafinos em arquiteturas de dispositivos funcionais para possibilitar a exploração da física fundamental e a prototipagem de dispositivos quânticos e outras tecnologias avançadas.

“Demos um passo muito importante na exploração tanto da física quanto das aplicações desse supercondutor de camada única e fina, que agora podemos cultivar em escala de wafer ou em áreas ainda maiores. Há muitas direções que podemos seguir no futuro”, diz Zaman.