2026年8月5日 -- 超薄超导材料仅有单个或数个原子厚度，具有独特的性质，科学家可以利用这些性质制造更紧凑、可扩展且高效的量子器件。但这些脆弱材料在空气中降解速度极快，难以研究或制造。

如今，来自麻省理工学院（MIT）和其他机构的研究人员发现并利用了一种方法，能够生成大面积、均匀且能在空气中保持稳定的超薄超导材料。

他们在另一种原子级薄材料——碳基石墨烯——下方“生长”出名为二硒化铌的超导材料。石墨烯层保护脆弱的超导体免受氧化，同时引导其在晶圆级大面积区域上平滑生长。

研究人员进一步将这种空气稳定的超导体集成到超导微波电路中。测试时，该材料保持了超导特性，并表现出高动态电感，而动态电感是许多量子器件的重要资源。

从长远来看，这一进展有助于实现超导量子计算硬件以及通信或宇宙学用超灵敏量子探测器等技术的微型化。

“新兴的仅有一个单层厚度的超导体具有巨大潜力。得益于我们的新工艺，它们不再只能在极小尺度上制备。现在，科学家们有了令人兴奋的机会来研究这些材料、将其应用于电路，并探索其实际应用，”共同第一作者、MIT电气工程与计算机科学系（EECS）研究生Xudong Sheldon Zheng表示。

论文的共同第一作者还有EECS研究生Sameia Zaman（SM '24）和近期在MIT电子研究实验室（RLE）工作的博士后Kenan Zhang；通讯作者包括William D. Oliver（Henry Ellis Warren（1894）EECS教授、物理学教授、量子工程中心主任、RLE副主任）、纽约大学助理教授Joel Î-j. Wang，以及MIT Jerry Mcafee（1940）工程学教授、RLE成员Jing Kong；此外还有来自MIT、林肯实验室、莱斯大学、耶鲁大学和韩国浦项大学的研究人员。该研究今天发表在《自然》杂志上。

强大的特性

超导体是能够无电阻导电的材料，对某些类型的量子器件至关重要。

二维超导材料尽管仅有几个原子厚，仍能保持超导特性。这些材料有望实现超导电路的微型化。

二硒化铌是一种超薄超导体，由紧密排列的单层铌原子夹在两侧各一层硒原子之间构成，具有非常高的动态电感，研究团队成员最近报道了这一发现。

这使得该材料能够在极小的区域内存储大量感应能量。小尺寸下的高动态电感是许多量子器件中理想的设计要素。

实现高动态电感的一种常用方法是将一系列称为约瑟夫森结的器件串联起来。

如果科学家能够将具有足够高动态电感的薄层二硒化铌等材料集成到量子电路中，就可以用一小片薄膜材料取代大面积电子结，使电路更加紧凑。但由于二硒化铌在空气中降解迅速，科学家一直无法在晶圆尺度上可靠地制造器件。相反，他们依赖剥离技术来获得小碎片。此外，研究人员一直难以生长出具有均匀单层厚度的材料。因此，全面探索其特性或在实际应用中测试一直颇具挑战。

“通常，一旦我们制备好材料并将其从惰性环境中取出，它就会立即开始氧化和降解，最终受损，”Zheng解释道。

科学家通常在二氧化硅衬底上沉积化学前驱体来生长二硒化铌。然后，他们在顶部放置另一层二维材料，如石墨烯或六方氮化硼，以保护脆弱的超导体免受空气影响。

但这种生长后的保护方法存在挑战。超导体在合成后几乎立即开始氧化，在受到保护之前其性能就已经退化。同时，保护过程需要严格的惰性环境和精细的处理。

注意间隙

MIT研究人员采用了不同的策略。他们先将石墨烯层放在二氧化硅衬底上，然后沉积前驱体，在两层的微小间隙中生长超导材料。

“我们花了很长时间才理解生长如何在石墨烯下方发生。通过合作与讨论，我们最终揭示了在界面处生长材料的机制，这解决了很多问题，并使我们能够简化制造步骤，”Zheng说。

二氧化硅衬底有助于将前驱体捕获足够长的时间，使晶体开始形成，而石墨烯层则允许它们自由移动并铺展成连续的单层。

研究人员利用这项技术生成了尺寸超过一英寸的完美平滑二硒化铌层。

“通过仔细调节生长条件，我们可以确保材料完全按照我们设计的方式在层间生长，”Zheng说。

尽管石墨烯放置在二氧化硅之上，但这些材料之间较弱的粘附力使它们之间留有不到1纳米厚的间隙。二硒化铌仅在该间隙内生长。然后，由于它已被石墨烯封装，研究人员可以安全地将其取出到周围环境中而不会导致降解。

精细连接

研究人员还在团队先前工作的基础上，设计了一种无氧化转移技术，将石墨烯-二硒化铌结构从其生长衬底上剥离。

然后，他们开发了一种方法，将薄膜集成到量子电路中，同时不影响脆弱的超导体或其性能。

“在这种仅约1纳米厚的极薄材料与厚度数百纳米的电极之间建立良好的电连接颇具挑战性，”Zaman说。

他们在真空室中小心地蚀刻薄膜超导体的侧壁，从而保持材料光滑的边缘。当他们将制备好的铌-石墨烯结构集成到传统超导电路中时，形成了可靠的电连接。重要的是，该材料在洁净室制造并集成到电路后，仍保持了超导特性并表现出高动态电感。这使其在制造紧凑型超导量子器件和其他量子技术方面尤具吸引力。

此外，这种生长策略不仅限于单层二硒化铌。研究人员证明，它可以扩展到具有多样且技术上重要特性的广泛单层量子材料家族。

未来，研究人员的目标是将这些超薄超导材料集成到功能性器件架构中，以推动基础物理的探索以及量子器件和其他先进技术的原型开发。

“在探索这种薄层单层超导体的物理特性和应用方面，我们迈出了非常好的一步，现在我们可以在晶圆尺度或更大面积上生长它。未来我们有很多方向可以走，”Zaman说。