Nový elektronický komponent může hrát klíčovou roli v kvantové elektronice

Nový elektronický komponent z TU Wien (Vídeň) může hrát klíčovou roli ve vývoji kvantové informační technologie. Díky přizpůsobenému výrobnímu procesu je možné spojit čistý germanium s hliníkem a vytvořit atomicky ostré rozhraní.

Výzkum týkající se tohoto nového procesu byl zveřejněn v Advanced Materials.

Vývoj nové metody

Výsledkem je monolitická metal-semiconductor-metal heterostruktura, která vykazuje unikátní účinky při nízkých teplotách. Při těchto nízkých teplotách se hliník stává supravodivým a tato vlastnost se přenáší na sousední germanium polovodič. To také umožňuje jeho specifické ovládání elektrickými poli.

Tyto charakteristiky činí jej zvláště užitečným pro složité aplikace v kvantové technologii. Zejména lze použít ke zpracování kvantových bitů. Tento přístup nevyžaduje vývoj zcela nových technologií, protože stávající technologie výroby polovodičů lze použít k umožnění germanium-založené kvantové elektroniky.

Dr. Masiar Sistani je z Ústavu pro pevné látky a elektrotechniku na TU Wien.

„Germanium je materiál, který určitě bude hrát důležitou roli v polovodičové technologii pro vývoj rychlejších a více energeticky efektivních komponent,” říká Dr. Sistani.

Rozhraní mezi dvěma materiály. (Obrázek: TU Wien)

Řešení problémů

Velké problémy vznikají, pokud se používá k výrobě komponent na nanometrovém měřítku. Zejména materiál způsobuje potíže s výrobou vysokokvalitních elektrických kontaktů kvůli vysokému dopadu malých nečistot v kontaktních bodech, které mohou výrazně změnit elektrické vlastnosti.

„Proto jsme si stanovili za cíl vyvinout novou výrobní metodu, která umožňuje spolehlivé a reprodukovatelné kontaktní vlastnosti,” říká Dr. Sistani.

Klíč k této metodě je teplota. Když se nanometrově strukturovaný germanium a hliník spojí a ohřejí, atomy obou materiálů začnou difundovat do jiného materiálu. Nicméně, to se děje v různých rozsazích.

Atomy germania se rychle pohybují do hliníku, zatímco hliník se téměř nedifunduje.

„Takže, pokud spojíte dva hliníkové kontakty s tenkým germaniovým nanodrátem a ohřejete na 350 stupňů Celsia, atomy germania difundují z okraje nanodrátu. To vytváří prázdné prostory, do kterých se hliník může snadno dostat,” říká Dr. Sistani. “Nakonec zůstává pouze několik nanometrů velké místo uprostřed nanodrátu, které se skládá z germania, zbytek je vyplněn hliníkem.”

Nová výrobní metoda vytváří jeden dokonalý krystal, ve kterém jsou atomy hliníku uspořádány v jednotném vzoru. To se liší od normálního hliníku, který se skládá z malých krystalických zrn. To umožňuje atomicky ostrý přechod mezi germaniem a hliníkem.

“Nejenže jsme byli schopni prokázat supravodivost v čistém, nedopovaném germaniu poprvé, ale také jsme ukázali, že tato struktura může být přepnuta mezi poměrně odlišnými provozními stavy pomocí elektrických polí. Takový germaniový kvantový bodový zařízení může být nejen supravodivý, ale také zcela izolační, nebo se může chovat jako Josephsonův tranzistor, důležitý základní prvek kvantových elektronických obvodů,” říká Dr. Sistani.

Kromě teoretických aplikací by tyto novinky mohly mít velký dopad na budoucí kvantová zařízení.