مكون إلكتروني جديد قد يلعب دورًا رئيسيًا في الإلكترونيات الكمومية

قد يلعب مكون إلكتروني جديد من جامعة TU Wien (فيينا) دورًا رئيسيًا في تطوير تقنية المعلومات الكمومية. من خلال عملية تصنيع مخصصة، يتم ربط الجرمانيوم النقي بالالمنيوم لتمكين إنشاء واجهات حادة على مستوى الذرات.

نشرت الأبحاث التي تصف هذه العملية الجديدة في Advanced Materials.

تطوير المناهج الجديدة

ما يخرج من هذا هو هيكل متراكب من معدن-شبه موصل-معدن، والذي يظهر تأثيرات فريدة عند درجات حرارة منخفضة. عند هذه الدرجات المنخفضة، يصبح الألمنيوم موصلًا فائقًا، وتنقل هذه الخاصية إلى شبه الموصل الجرمانيوم المجاور. هذا أيضًا يسمح بتحكمه بشكل محدد بمجالات كهربائية.

تجعل هذه الخصائص منه مفيدًا بشكل خاص للتطبيقات المعقدة في تقنية الكم. على وجه الخصوص، يمكن استخدامه لمعالجة البتات الكمومية. لا تتطلب هذه المناهج تطوير تقنيات تصنيع جديدة بالكامل، لأن تقنيات تصنيع أشباه الموصلات الحالية يمكن استخدامها لتمكين إلكترونيات الكمومية القائمة على الجرمانيوم.

الدكتور ماسيار سستاني من معهد الإلكترونيات الصلبة في جامعة TU Wien.

“الجرمانيوم هو مادة ستلعب بالتأكيد دورًا هامًا في تقنية أشباه الموصلات لتطوير مكونات أسرع وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة”، يقول الدكتور سستاني.

واجهة بين المادتين. (الصورة: TU Wien)

معالجة التحديات

ت出现 مشاكل كبيرة إذا تم استخدامه لإنتاج مكونات على نطاق النانومتر. على وجه الخصوص، تجعل المادة من الصعب إنتاج اتصالات كهربائية عالية الجودة بسبب تأثير كبير للشوائب الصغيرة في نقاط الاتصال، والتي يمكن أن تغير الخواص الكهربائية بشكل كبير.

“لذلك، قد حددنا لنفسنا مهمة تطوير طريقة تصنيع جديدة تمكن من خواص اتصال موثوقة ومتكررة”، يقول الدكتور سستاني.

مفتاح هذه المناهج هو درجة الحرارة. عندما يتصل الجرمانيوم والالمنيوم على نطاق النانومتر ويتسخنان، تبدأ ذرات كلا المادتين في الانتشار إلى المادة الأخرى. ومع ذلك، يحدث هذا بدرجات مختلفة.

تنتقل ذرات الجرمانيوم بسرعة إلى الألمنيوم، بينما ينتشر الألمنيوم بشكل ضعيف.

“بالتالي، إذا قمت بتحويل اتصالين من الألمنيوم إلى سلك نانومتري رقيق من الجرمانيوم ورفعت درجة الحرارة إلى 350 درجة مئوية، فإن ذرات الجرمانيوم تنتقل من حافة السلك النانومتري. هذا يخلق فراغات يمكن للألمنيوم أن ينتشر فيها بسهولة”، يقول الدكتور سستاني. “في النهاية، لا يتكون إلا من 区ة صغيرة في منتصف السلك النانومتري من الجرمانيوم، والباقي يتم ملأه بالألمنيوم”.

تؤدي طريقة التصنيع الجديدة إلى تشكيل بلورة واحدة مثالية حيث يتم ترتيب ذرات الألمنيوم في نمط موحد. هذا يختلف عن الألمنيوم العادي، الذي يتكون من حبيبات بلورية صغيرة. هذا يسمح بانتقال حاد على مستوى الذرات بين الجرمانيوم والألمنيوم.

“لم نتمكن فقط من إثبات التوصيل الفائق في الجرمانيوم النقي غير الملوث لأول مرة، ولكننا كنا قادرين أيضًا على إظهار أن هذا الهيكل يمكن تبديله بين حالات تشغيل مختلفة بشكل كبير باستخدام مجالات كهربائية. يمكن أن يكون جهاز الجرمانيوم الكمومي هذا لا يكون موصلًا فائقًا فقط، ولكن أيضًا معزولًا بشكل كامل، أو يمكن أن يتصرف مثل ترانزستور جوزيفسون، وهو عنصر أساسي مهم في الدوائر الإلكترونية الكمومية”، يقول الدكتور سستاني.

بجانب التطبيقات النظرية، يمكن لهذه الهياكل الجديدة أن يكون لها تأثير كبير على أجهزة الكمومية المستقبلية.