科研进展 | 洛桑联邦理工学院发明用于量子冷却的二维装置

为了进行量子计算，必须将量子比特冷却到毫开尔文温区，以减缓原子运动并最大限度减少噪声。然而，用于管理这些量子线路的电子设备会产生热量，并且很难在如此低的温度下消除。因此，大多数现有技术必须将量子线路与其电子元件分开，而这会引起噪声、导致效率低下，阻碍在实验室之外实现更大的量子系统。

7月2日，瑞士洛桑联邦理工学院与日本筑波国家材料科学研究所的研究人员在《Nature Nanotechnology》期刊上发表题为“Electrically tunable giant Nernst effect in two-dimensional van der Waals heterostructures”（二维范德华异质结构中的电可调巨能斯特效应）的研究论文，瑞士洛桑联邦理工学院博士生Gabriele Pasquale为论文第一作者，瑞士洛桑联邦理工学院教授Andras Kis为论文通讯作者。

Gabriele Pasquale，博士毕业于洛桑联邦理工学院，师从Andras Kis。目前在哈佛大学从事博士后工作。研究领域为自旋电子学、二维材料。

Andras Kis，洛桑联邦理工学院电气与微工程研究所、材料科学与工程研究所教授，纳米电子与结构实验室（LANES）负责人。研究领域为纳米电子学、二维材料。

该研究团队发明了一种装置，可以在低于外太空的温度下高效地将热量转化为电压，而且其效率堪比室温下的现有技术。LANES博士生Gabriele Pasquale表示：“我们是首家研制出转换效率与现有技术相当的设备，但它却能在量子系统所需的低磁场和超低温下运行。这项工作确实向前迈出了一步。”

该装置利用了能斯特效应（Nernst effect），其为一种横向热电现象，当磁场垂直施加于温度变化的物体时，会产生电压。1931年，Onsager提出的倒易关系为理解热电现象提供了数学描述，其中Kelvin关系和Bridgman关系是描述Seebeck和Peltier系数以及Nernst和Ettingshausen效应的关键。这些理论不仅揭示了热电效应之间的内在联系，也为实验设计和材料选择提供了理论指导。因其在能量转换、热电学和自旋电子学中的潜力而备受关注。然而，在低温下实现高性能和多功能性仍然难以实现。

在本文中，研究团队通过在场效应几何中将石墨烯的电学特性与硒化铟（InSe）的半导体特性相结合，展示了一种大型且电可调的能斯特效应。该研究结果为探索和操控这种热电效应建立了一个几个原子厚的新平台，展示了首个开/关比为10^3的电可调性。此外，光电压测量显示，与单个组件相比，石墨烯/InSe异质结构中的光能斯特信号更强。值得注意的是，在超低温和低磁场下观察到了创纪录的66.4 μV·K^-1·T^-1的能斯特系数，这是朝着量子信息和低温突发现象应用迈出的重要一步。

理论方法

本研究采用了基于量子力学和固体物理的模型来描述石墨烯和InSe的电子结构和输运性质。石墨烯作为一种零带隙的半金属，具有高电子迁移率和独特的Dirac锥电子结构，而InSe作为一种半导体，具有可调节的带隙和高电子迁移率。通过理论计算和模拟，研究者们分析了在不同温度和磁场条件下，这些材料的电子输运特性，以及它们在形成异质结构时的界面效应。

实验方法

实验的核心在于构建一种新型的二维范德瓦尔斯异质结构，即将石墨烯与InSe结合。这一结构不仅要求两种材料的晶格匹配，还需要考虑它们之间的电子耦合效应。研究者们采用了干转移（dry transfer）技术来精确堆叠和对齐这些二维材料，确保了异质结构的质量和可靠性。

在制造过程中，首先通过机械剥离（mechanical exfoliation）方法获得六方氮化硼（hBN）和石墨烯/少层石墨薄片构建块，并将其放置在二氧化硅基底上。然后，使用聚碳酸酯膜（polycarbonate membrane）和聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane）将上层hBN层抬起，并放置在少层石墨薄片底部栅极上。InSe片层在聚二甲基硅氧烷上剥离，并根据其光学对比度进行区分。所有这些步骤都在充满氩气的手套箱内进行，以防止材料退化和污染。样品完全封装后，在高真空下进行退火处理，以提高样品的电子性质。

实验的所有测量都在100mK的超高真空环境中进行，以确保结果的准确性和重复性。使用了多种激光源进行扫描光电流和激光反射率测量，激光束直径约为1μm。通过改变激光功率，研究者们能够研究不同条件下的能斯特效应。在实验中，使用了波长为532nm的连续波激光器进行能斯特效应测量，激光功率保持在50μW，以保持样品背景温度稳定。

使用同步激光斩波器（synchronized laser chopper）获得驱动Stanford Research SR830锁定放大器所需的727Hz频率，进而利用锁定放大器检测直流和交流光电流（及光电压）。通过这种方法，研究者们能够精确测量由激光照明引起的温度梯度和磁场作用下的横向电流，从而得到能斯特系数。

实验结果显示，通过改变栅极电压，可以显著调节能斯特效应的强度。在正栅极电压下，InSe的高导电性导致能斯特效应被强烈抑制；而在负栅极电压下，能斯特效应的斜率增加，超过了Vg=0V时观察到的值。通过在对数尺度上绘制石墨烯/InSe异质结构的能斯特效应强度与栅极电压的关系，揭示了效应的显著调制能力，其开关比达到了10^3。

结语

本文的实验方法体现了对二维材料异质结构的精确控制和测量，为理解和利用能斯特效应提供了新的途径。通过精确的实验设计和先进的测量技术，研究者们不仅观察到了巨大的能斯特效应，还实现了对其电调能力的控制，为未来的量子技术和热电应用奠定了基础。

“这些发现代表了纳米技术的重大进步，有望开发出在毫开尔文温度下进行量子计算所必需的先进冷却技术，”Pasquale说道。“我们相信这一成就可能会彻底改变未来技术的冷却系统。”

图1：设备示意图和基本特征。

图2：光能斯特效应和热电性能。

图3：跨InSe通道的能斯特效应的扫描光电压图。

图4：热电基准测试。

参考链接

https://www.nature.com/articles/s41565-024-01717-y

https://actu.epfl.ch/news/a-2d-device-for-quantum-cooling-2/