超薄超导材料仅有一个或数个原子厚度，具备独特性质，科学家可借助这一特性制造更紧凑、可扩展且高效的量子器件。然而，这类材料在空气中极易降解，难以研究或制造。
如今，麻省理工学院及其合作机构的研究人员发现并运用了一种新方法，能够生成面积较大、均匀且在空气中保持稳定的超薄超导材料。
研究人员将这种名为二硒化铌的超导材料"生长"在另一种原子级薄层材料——碳基石墨烯的下方。石墨烯层既能保护脆弱的超导体免受氧化，又能引导其在大面积晶圆尺度上均匀生长。
具体而言，研究人员首先将石墨烯层铺设在二氧化硅基底上，再引入前驱体材料，使超导体在两层之间极小的间隙中形成。石墨烯的保护作用有效防止了材料在环境中被氧化，并引导其生长为光滑、均匀且连续的薄膜，覆盖面积可达晶圆级别。
研究人员进一步将这种在空气中稳定的超导体集成到超导微波电路中。测试结果表明，该材料保持了超导性能，并展现出高动态电感——这一特性对许多量子器件极具价值。
从长远来看，这一进展有望推动超导量子计算硬件的小型化，同时也可应用于通信或宇宙学领域的超灵敏量子探测器等技术。
共同第一作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学系（EECS）博士生郑旭东表示："仅有单原子层厚度的新兴超导体潜力巨大。得益于我们的新工艺，这类材料不再局限于极小规模的制备。科学家们现在可以研究这些材料、将其应用于电路，并探索其实际用途。"
论文共同第一作者还包括EECS博士生萨梅亚·扎曼和麻省理工学院电子研究实验室（RLE）近期博士后研究员张科南。通讯作者包括：EECS和物理学教授、量子工程中心主任、RLE副主任威廉·奥利弗，纽约大学助理教授乔尔·王，以及麻省理工学院工程学教授、RLE成员孔静。其他合作者来自麻省理工学院、林肯实验室、莱斯大学、耶鲁大学和韩国浦项大学。相关研究成果已发表于《自然》期刊。
强大的材料特性
超导体是一种能够无阻力传导电流的材料，是某些量子器件不可或缺的核心要素。
二维超导材料即便只有数个原子厚度，仍能保持超导性能，有望实现超导电路的小型化。
二硒化铌是一种超薄超导体，由单层铌原子夹在两侧各一层硒原子之间构成，具有极高的动态电感。该研究团队此前已对这一特性进行了相关报道。
高动态电感使材料能够在极小面积内储存大量感应能量，而小体积、大动态电感的组合正是众多量子器件所追求的设计要素。
目前，实现大动态电感的常用方法是串联约瑟夫森结阵列。若能将二硒化铌等具有足够大动态电感的超薄材料集成到量子电路中，便可用一小片薄膜材料替代大面积电子结阵列，从而使电路更加紧凑。
然而，由于二硒化铌在空气中迅速降解，科学家此前无法在晶圆尺度上可靠地制造器件，只能依赖剥离技术获取微小碎片。此外，研究人员也难以生长出厚度均匀的单层材料，导致无法全面探究其性质或在实际应用中进行测试。
郑旭东解释说："通常情况下，材料制备完成并移出惰性环境后，立刻就会开始氧化降解，最终受到损坏。"
科学家通常通过在二氧化硅基底上沉积化学前驱体来生长二硒化铌，再将石墨烯或六方氮化硼等二维材料覆盖在上方，以保护脆弱的超导体不受空气侵蚀。
然而，这种"后生长保护"方式存在明显缺陷：超导体在合成后几乎立刻开始氧化，性能在获得保护之前便已有所下降。与此同时，保护过程需要严苛的惰性环境和精细的操作处理。
间隙中的生长之道
麻省理工学院的研究人员采取了截然不同的策略：先将石墨烯层铺设在二氧化硅基底上，再沉积前驱体，使超导材料在两层之间极小的间隙中生长。
郑旭东说："我们花了很长时间才弄清楚材料如何能在石墨烯下方生长。经过团队协作与深入讨论，我们最终揭示了在界面处生长材料的机制，这解决了许多问题，并让我们得以简化制备步骤。"
二氧化硅基底有助于将前驱体"困住"足够长的时间，使晶体开始成核；而石墨烯层则让前驱体能够自由移动并扩展为连续的单层薄膜。
研究人员利用这一技术，成功生长出面积超过一英寸、表面完全平整的二硒化铌薄层。
郑旭东表示："通过精细调控生长条件，我们可以确保材料按照预期设计在层间精确生长。"
尽管石墨烯放置在二氧化硅上方，但两者之间的弱吸附作用在其间留下了不足1纳米厚的间隙，二硒化铌正是在这一间隙中生长。由于材料在生长时已被石墨烯封装，研究人员可以安全地将其移出至环境中，而不会引起降解。
精细的集成工艺
研究人员还在团队前期工作的基础上，设计了一种无氧化转移技术，可将石墨烯-二硒化铌复合结构从生长基底上剥离。
随后，他们开发了一种方法，将薄膜集成到量子电路中，同时不损害脆弱超导体的结构或性能。
扎曼表示："如何在厚度约1纳米的超薄材料与厚度数百纳米的电极之间建立良好的电气连接，是一项相当大的挑战。"
研究人员在真空腔室中对薄膜超导体的侧壁进行精细蚀刻，以保留材料的光滑边缘。将处理后的铌-石墨烯结构集成到传统超导电路中后，电气连接稳定可靠。更重要的是，材料在经历洁净室制备流程并集成到电路后，仍保持了超导性能和高动态电感，这使其在制备紧凑型超导量子器件及其他量子技术方面极具吸引力。
此外，这一生长策略并不局限于单层二硒化铌，研究人员已证明它可以推广应用于具有多种重要性质的单层量子材料家族。
未来，研究团队计划将这些超薄超导材料集成到功能性器件架构中，以探索基础物理学规律，并推进量子器件及其他先进技术的原型开发。
扎曼表示："我们在探索这种单层超导体的物理与应用两方面都迈出了重要一步。这种材料现在已可以在晶圆级别乃至更大面积上生长，未来有许多方向值得探索。"
本研究获得美国陆军研究办公室、美国国家科学基金会、斯伦贝谢基金会、美国能源部、美国空军科学研究办公室、半导体研究公司中心、麻省理工学院士兵纳米技术研究所及韩国国家研究基金会的部分资助，部分工作在MIT.nano实验室设施中完成。
Q&A
Q1：二硒化铌超导材料为什么难以制造和研究？
A：二硒化铌在暴露于空气后几乎立刻开始氧化降解，性能迅速下降。传统方法是先生长材料再覆盖保护层，但保护之前氧化已经发生。此外，现有技术难以生长出大面积、厚度均匀的单层薄膜，只能依赖剥离技术获得微小碎片，无法满足量子器件制造的需求。
Q2：麻省理工的新方法和传统方法有什么区别？
A：传统方法是先生长二硒化铌，再覆盖石墨烯等保护层，但超导体在获得保护之前已发生氧化。麻省理工的新方法是先将石墨烯铺在基底上，再引入前驱体材料，使二硒化铌在石墨烯与基底之间不足1纳米的间隙中直接生长，生长完成时材料已被石墨烯封装保护，从而有效避免了氧化问题。
Q3：这种新型超导材料能用在哪些量子器件上？
A：这种材料具有高动态电感，可替代量子电路中大面积约瑟夫森结阵列，使电路更加紧凑。潜在应用包括超导量子计算硬件的小型化，以及用于通信或宇宙学领域的超灵敏量子探测器等技术。研究团队未来还计划将其集成到功能性器件架构中，进一步探索其在量子技术中的实际应用。
