最有趣的超导材料也最脆弱，多年来，这种脆弱性使它们一直局限于实验室。原子级薄的超导体，即厚度仅为一层或几层原子的材料薄片，可以在无电阻的情况下传输电流，同时单位面积储存的能量远高于块体材料，这使它们成为紧凑型量子设备的理想构件。问题在于，它们一接触空气几乎就会立即氧化，因此研究人员只能使用从较大晶体上剥离下来的微小薄片，任何用它们制造实用电路的尝试都在开始之前便已失败。麻省理工学院及合作机构的一个团队如今找到了绕开这一限制的办法，相关结果于8月5日发表在《自然》杂志上，为制造可在空气中保持稳定的二维超导体指出了一条真正可行的路线。
这种材料是二硒化铌，一种具有引人注目内部结构的单层超导体：一层紧密堆积的铌原子平面夹在两层硒原子平面之间。它的吸引力在于动生电感，即衡量一种材料能在很小的空间内储存多少电感能量的指标。在传统量子电路中，工程师通过串联约瑟夫森结阵列来获得较大的动生电感，这既占用空间又增加复杂性。具有天然高动生电感的薄膜可以用一小片材料取代这些阵列，从而大幅缩小电路尺寸。麻烦在于：二硒化铌在空气中降解得非常快，以至于在任何实用尺度上进行可靠的器件制造都一直无法实现；标准的补救办法，即先生长材料、再覆盖一层保护层，也以失败告终，因为氧化在保护层来得及施加之前就已经开始。
麻省理工学院团队的做法颠倒了这一顺序。研究人员先在二氧化硅衬底上沉积一层石墨烯（另一种原子级薄材料），然后在石墨烯与衬底之间的狭窄间隙中、于石墨烯下方生长二硒化铌。这个间隙的宽度不足一纳米，是两种材料之间附着力较弱的结果，超导体只在这个间隙内生长。衬底将化学前驱体滞留足够长的时间，让晶体得以形成，而覆盖在上方的石墨烯则让它们能够迁移并合并成连续完整的一层薄膜。因此，石墨烯身兼两职：它为生长提供模板，同时由于材料已被封装在内，它还能保护成品薄膜免受大气侵蚀。同样的方法也适用于以六方氮化硼作为覆盖层的情况。研究人员将这一机理称为”封装外延”，其适用范围超出了二硒化铌，可扩展到更广泛的单层量子材料家族。
概念验证的成果并不止于一层漂亮的薄膜。研究团队制成了宽度超过2.54 cm（1英寸）的光滑连续的二硒化铌薄膜，并将其集成到一个可工作的超导微波电路中。将原子级薄的薄膜连接到厚度达数百纳米的电极上，需要无氧化的转移技术和在真空腔室中进行的细致侧壁刻蚀。经过这番洁净室加工后，该材料仍保持了其超导特性和高动生电感。该团队表示，从长远看，这有望实现小型化的超导量子计算硬件，以及用于电信或宇宙学的超灵敏量子传感器。
这项结果最重要的意义不在于其中的物理（二硒化铌的单层超导现象多年前就已被知晓），而在于制造层面的进展。带内置保护层的晶圆级生长，正是”仅在原则上存在的材料”与”可以送进生产线的材料”之间的区别所在。隐藏的限制仍然来自超导的另一面：这些器件仍需在低温下运行，因此回报在于更密集、功能更强的量子电路，而非室温计算。尽管如此，这项工作弥合了原子级薄”新奇之物”与工程材料之间一道长期存在的鸿沟，也让量子硬件开发者有理由重新审视一类他们曾认定过于脆弱、无法使用的材料。
婷 翻译
Sources: Researchers make air-stable, ultrathin superconductors, for more scalable quantum devices (MIT News, Aug 5, 2026); Scientists develop ultrathin superconductors that can help build more compact quantum devices (Interesting Engineering, Aug 6, 2026); Air-stable, ultrathin superconductors developed for more scalable quantum devices (Phys.org, Aug 5, 2026); MIT Creates Air-Stable Ultrathin Superconductors for Quantum Devices (TechExplorist, Aug 2026); Encapsulation epitaxy study (Nature, Aug 5, 2026)