研究前沿：Nature Nanotechnology-2篇魔角石墨烯 | 超导量子电路

一、栅极可调谐石墨烯约瑟夫森参量放大器

超导量子电路superconducting quantum circuits拥有大量的基本量子元件，为微波量子光学的进步做出了贡献。在这些元器件中，量子限制参量放大器quantum-limited parametric amplifiers对于能量范围本身较低（几十μeV）量子系统的低噪声读出，是必不可少的。因其可以产生光的非经典状态，这可以成为量子增强探测的资源。超导参量放大器Superconducting parametric amplifiers，例如量子比特，通常使用约瑟夫森结作为磁性可调和无耗散非线性源。

近年来，诸多实验演示了半导体纳米线、二维电子气、碳纳米管和石墨烯的微波谐振器和量子比特，并引入半导体弱连接作为电可调非线性元件。然而，考虑到平衡非线性、耗散、参与和能量标度的挑战，参量放大器还没有实现半导体弱连接。

今日，法国 格勒诺布尔-阿尔卑斯大学（Université Grenoble Alpes)Guilliam Butseraen，Julien Renard等，在Nature Nanotechnology上发文，报道了利用石墨烯约瑟夫森结的参量放大器，并实验展示了其工作频率可随栅极电压广泛调谐。从而实现了超过20dB增益和接近标准量子极限的噪声性能。

这一研究成果扩展了电可调超导量子电路的工具集，还为量子计算、量子传感和基础科学等量子技术的发展提供了机会。

A gate-tunable graphene Josephson parametric amplifier.
栅极可调谐石墨烯约瑟夫森参量放大器。

图1：嵌入微带超导微波谐振器的石墨烯约瑟夫森结Graphene Josephson junction。

图2：具有嵌入式石墨烯约瑟夫森结的微波谐振器的非线性。

图3：嵌入石墨烯约瑟夫森结的微波谐振器的参量放大。

图4：谐振约瑟夫森参量放大器的性能

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01235-9

DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-022-01235-9

本文译自Nature。

二、魔角石墨烯 | 可调超导量子干涉器件

魔角扭曲双层石墨烯Magic-angle twisted bilayer graphene，MATBG，可以通过静电掺杂调节并拥有许多相关的物质态。输运和扫描探针实验已经显示了能带、关联和陈氏绝缘体以及超导电性的证据。这种原位可调谐态的多样性，实现了可调谐的约瑟夫森结Josephson junctions。然而，尽管已经测量了相位相干phase-coherent现象，但到目前为止，还没有证明对超导凝聚体的相位差的控制。

今日，瑞士 苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)Elías Portolés，Klaus Ensslin等，在Nature Nanotechnology上发文，在栅极定义结的基础上，在魔角扭曲双层石墨烯MATBG中，形成超导量子干涉器件superconducting quantum interference device，SQUID，其中，可以通过磁场控制超导相位差。

实验观察到了临界电流的磁振荡，证明了有效电荷为2e超导载流子的长程相干性。通过静电控制经过结的临界电流，有力地调整非对称和对称超导量子干涉器件SQUID配置。这种可调性，实现了器件电感高达2μH值。此外，还直接探测器件约瑟夫森结的电流-相位关系。研究表明，在魔角扭曲双层石墨烯MATBG中，可以实现复杂的器件，并用于揭示材料的性质。

这一研究发现，加上超导量子干涉器件SQUID已有的应用历史，有望促进广泛量子器件发展，如相位滑移结或高动态电感探测器。

A tunable monolithic SQUID in twisted bilayer graphene
扭曲双层石墨烯的可调谐单片SQUID。

图1：可调超导量子干涉器件superconducting quantum interference device，SQUID.

图2：不对称调谐和电感提取。

图3：电流相位关系current-phase relation，CPR测量。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01222-0

DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-022-01222-0

本文译自Nature。