Нов електронен компонент може да играе ключова роля в квантовата електроника

Нов електронен компонент от TU Wien (Виена) може да играе ключова роля в развитието на квантовата информационна технология. Чрез персонализиран производствен процес, чистият германий е свързан с алуминий, за да се даде възможност за създаване на атомно остри интерфейси. 

Изследването, описващо този нов процес, е публикувано в Разширени материали.

Разработване на новия подход

Това, което се получава от това, е монолитна хетероструктура метал-полупроводник-метал, която показва уникални ефекти при ниски температури. При тези ниски температури алуминият става свръхпроводим и това свойство се прехвърля към съседния германиев полупроводник. Това също така позволява той да бъде специално контролиран с електрически полета.

Тези характеристики го правят особено полезен за сложни приложения в квантовата технология. По-специално, той може да се използва за обработка на квантови битове. Подходът не изисква разработването на изцяло нови технологии за производство след съществуващия полупроводник могат да се използват производствени техники, за да се даде възможност на базираната на германий квантова електроника. 

Д-р Масиар Систани е от Института за електроника в твърдо състояние към TU Wien. 

„Германийът е материал, който определено ще играе важна роля в полупроводниковата технология за разработването на по-бързи и по-енергийно ефективни компоненти“, казва д-р Систани. 

Справяне с предизвикателствата

Големи проблеми възникват, ако се използва за производство на компоненти в нанометров мащаб. По-специално, материалът затруднява производството на висококачествени електрически контакти поради силното въздействие на малки примеси в контактните точки, което може значително да промени електрическите свойства.

„Затова си поставихме задачата да разработим нов метод на производство, който позволява надеждни и възпроизводими контактни свойства“, казва д-р Систани.

Ключът към този подход е температурата. Когато германий и алуминий с нанометрова структура осъществят контакт и се нагреят, атомите на двата материала започват да дифундират в другия материал. Това обаче се случва в различна степен. 

Атомите на германия се движат бързо в алуминия, докато последният почти не дифундира.

„По този начин, ако свържете два алуминиеви контакта към тънка германиева наножица и повишите температурата до 350 градуса по Целзий, германиевите атоми дифундират от ръба на наножицата. Това създава празни пространства, в които алуминият може лесно да проникне“, казва д-р Систани. „В крайна сметка само няколко нанометра площ в средата на нанопровода се състои от германий, останалата част е запълнена от алуминий.“

Новият метод на производство формира един перфектен кристал, в който алуминиевите атоми са подредени в еднакъв модел. Това е различно от нормалния алуминий, който се състои от малки кристални зърна. Това позволява атомно остър преход между германий и алуминий.

„Не само, че успяхме да демонстрираме свръхпроводимост в чист, нелегиран германий за първи път, ние също успяхме да покажем, че тази структура може да се превключва между доста различни работни състояния с помощта на електрически полета. Такова устройство с квантова точка на германий може не само да бъде свръхпроводящо, но и напълно изолиращо или може да се държи като транзистор на Джоузефсън, важен основен елемент на квантовите електронни вериги“, казва д-р Систани.

Освен теоретичните си приложения, тези нови структури могат да окажат голямо влияние върху бъдещите квантови устройства.