超薄超導材料只有一層或幾層原子厚，它們一直被認為很適合用來做下一代量子器件。因為它們足夠薄，卻仍然保留超導特性，可以讓量子電路變得更小、更容易集成。
但問題也很明顯：這類材料太脆弱了。很多超薄超導材料一接觸空氣就會迅速氧化，性能隨之下降。也正因為如此，科學家很難長時間研究它們，更別說把它們當作面積大、可穩定製造的器件。
現在，麻省學院的研究人員找到了一種辦法：讓超導材料直接長在石墨烯下面。他們使用的超導材料叫做二氧化鈦。研究人員先在二氧化矽上鋪一層石墨烯，再加入化學前驅體，讓二氧化鈦在石墨烯和甲醇之間極矮的坩堝里生長。
這樣一來，石墨烯從一開始就蓋在超導材料上面。它不僅可以隔絕空氣，防止二氧化烯氧化，還能幫助材料沿最終界面均勻鋪開，平整、連續的大面積薄膜。用這種方法，研究成功製備出生長尺寸超過1英寸的二氧化鈦薄膜，而且厚度非常均勻。更關鍵的是，這層材料長出來的時候就已經被石墨烯保護起來了，因此之後即使在普通空氣中乾燥，也不會立即薄膜。
研究人員又把它接入了超導微波電路。實驗發現，即使經過潔淨室加工和電路集成，這種材料仍然保持超導性能，同時還表現出很大的驅動能力，這一點對量子器件尤其重要。
超導可以在沒有電阻的情況下流行，是很多量子器件的基礎材料。二維超導材料則更特別的是：極化下一層或幾層原子，它們仍然可以保持超導狀態。這意味著，究竟探究了更大面積的超導電路，有機會進一步縮小。
二元化等於同時受到關注，還簡單地引發了它的動能警示。也就是說，這意味著它可以在微小的空間裡產生很多的警示效應，而這正是量子器件需要的特性。因為目前，為了在超量子導電路里獲得越來越多的警示，研究會經常匯聚很多約瑟夫森人員。這種做法占空間比較大，但電路結構也變得複雜。
如果能直接用一塊二元化等於薄膜實現類似的效果，就可能省掉大面積的結聚合，讓整個量子電路做得更整齊。但在過去，這種想法很難真正落地。因為二元化等於在空氣里氧化太快了。傳統做法通常是先把材料長出來，再在上面覆蓋石墨烯或六方充當硼類的二維材料，給它加一層保護。
但問題是，材料從生長完成到真正被保護起來，中間總有一段空檔。二氧化幾乎一出口出來就會開始氧化。等保護層蓋上去時，材料的性能往往已經受到影響。而且整個過程需要在嚴格控制的模具環境中完成，操作也很麻煩。
因此，過去的研究人員通常只能通過剝離的方法獲得微小的二元化不對稱，也一直很難穩定製備出面積大、厚度均勻的單層材料。「通常材料一旦從指定環境裡取出來，馬上就會開始氧化，性能也不斷衰退，最後甚至完全損壞。」論文共同第一作者、麻省理工學院電氣工程與計算機科學系研究生鄭旭東（Xudong Sheldon Cheng）說。
麻省學院團隊這次做的，其實就是把順序反了過來。他們沒有先長超導材料、再蓋保護層，而是先把石墨烯鋪好，再讓二氧化鈦從石墨烯下面長出來。雖然石墨烯看起來貼在石墨烯表面，但兩者之間的結合併不緊密，中間實際上留有大概理工小於1奈米寬的塔。二黑色化等於在這個空間裡形成。二氧化矽表面可以讓前驅體停留足夠長的時間，讓晶體開始；圖形烯則讓這些物質能沿著界面移動並逐漸鋪開，最後長成連續的單層薄膜。
「我們花了很長時間才真正弄明白，材料為什麼能在石墨烯下面生長。」鄭旭東說，「後來通過合作和討論，我們逐步搞清楚了界面生長的機制。這個方法一下子解決了很多問題，也把整個製備流程簡化了。」
因為二元化等於在生長過程中就已經被形成石墨烯蓋住了，所以材料一層，保護層也已經差不多了。這讓研究人員可以把它直接拿到空氣中，不必擔心它馬上氧化。不過，把材料穩定地做到來，只解決了一半的問題。真正用在量子器件里，還得想辦法把這層只有大約1奈米厚的材料接進電路。
「這種材料只有大約1個奈米厚，而電極通常有幾個奈米厚。要讓兩者之間形成可靠的電連接並不容易。」共同論文作者薩米婭·扎曼（Sameia Zaman）說。
研究團隊為此設計了一套新的轉移和加工方法。他們首先在不讓材料接觸氧氣的情況下，把石墨烯和二氧化對稱組成的薄膜最初從喬上拿起，然後真空在環境中精細處理薄膜邊緣，避免損傷材料。經過這些步驟後，二氧化對稱可以穩定接入傳統超導電路。
實驗結果顯示，即使經過了完整的潔淨室加工，它仍然保持超導性能，而且高活性染料也沒有明顯受到影響。這意味著，二元化不再只是一種只能在嚴格實驗條件下研究的脆弱材料，而是開始具備真正進入器件製造的可能。
鄭旭東說，「單層超導材料一直很有潛力。有了新工藝，它們不再僅僅只是注重這種微小的樣品。現在，我們可以更系統地研究這些材料，把它們放在電路里，也能真正開始探索它們能拿來做什麼。」
而且，這種方法並不只適用於二二維化方程式。研究團隊已經證明，同樣的想法還可以用於其他多種單層一些量子材料。這意味著，未來究竟因為太容易氧化、難以加工而無法使用的二維材料，也可能通過類似的方式實現大面積製備。
接下來，研究人員計劃把這些超薄超導材料進一步做進真正可工作的量子器件方面，研究其中的基礎物理問題，方面測試它們在實際技術中的表現。長遠來看，這類材料的前景進一步縮小超導量子計算硬體，也可能被用於製造通信和宇宙學研究中的高量子同等。
扎曼說，「我們邁出的生長已經很重要的一步。現在，單層超導材料已經可以實現這種拓撲尺，甚至更大的面積。無論是研究它的物理性質，還是開發實際應用，後面都有很多值得繼續探索的方向。」
