Nyt elektronisk komponent kan spille en nøglerolle i kvantelektronik

Et nyt elektronisk komponent fra TU Wien (Wien) kan spille en nøglerolle i udviklingen af kvanteinformationsteknologi. Gennem en tilpasset fremstillingsproces binds rent germanium med aluminium, således at der kan skabes atomisk skarpe grænseflader.

Forskningen omkring denne nye proces er offentliggjort i Advanced Materials.

Udviklingen af den nye tilgang

Det, der kommer ud af dette, er en monolitisk metal-halvleder-metal heterostruktur, som viser unikke effekter ved lave temperaturer. Ved disse lave temperaturer bliver aluminium superledende, og denne egenskab overføres til den tilstødende germanium-halvleder. Dette gør det også muligt at kontrollere det specifikt med elektriske felter.

Disse egenskaber gør det særligt velegnet til komplekse anvendelser i kvanteteknologi. I særdeleshed kan det bruges til at behandle kvantebits. Tilgangen kræver ikke udviklingen af helt nye fremstillingsTeknologier, da eksisterende halvleder-fremstillingsTeknologier kan bruges til at aktivere germanium-baseret kvantelektronik.

Dr. Masiar Sistani er fra Institut for Faststof-Elektronik ved TU Wien.

“Germanium er et materiale, som helt sikkert vil spille en vigtig rolle i halvlederteknologi for udviklingen af hurtigere og mere energibesparende komponenter,” siger Dr. Sistani.

Grænsefladen mellem de to materialer. (Billede: TU Wien)

Løsning af udfordringer

Store problemer opstår, hvis det bruges til at producere komponenter på nanometerskala. I særdeleshed gør materialet det svært at producere højkvalitets elektriske kontakter på grund af den høje påvirkning af små forureninger ved kontaktpunkterne, som kan ændre de elektriske egenskaber betydeligt.

“Vi har derfor sat os for at udvikle en ny fremstillingsmetode, der kan give pålidelige og reproducerbare kontakt egenskaber,” siger Dr. Sistani.

Nøglen til denne tilgang er temperaturen. Når nanometer-struktureret germanium og aluminium kommer i kontakt og varmes op, begynder atomerne i begge materialer at diffundere ind i det andet materiale. Det sker dog i forskellige omfang.

Germanium-atomer bevæger sig hurtigt ind i aluminium, mens det sidste knap nok diffunderer overhovedet.

“Derfor, hvis du forbinder to aluminium-kontakter til en tynd germanium-nanovæld og hæver temperaturen til 350 grader Celsius, diffunderer germanium-atomerne ud over kanten af nanovældet. Dette skaber tomme rum, som aluminium kan penetrere let,” siger Dr. Sistani. “Til sidst består kun et få nanometer stort område i midten af nanovældet af germanium, resten er fyldt op med aluminium.”

Den nye fremstillingsmetode danner en enkelt perfekt krystal, hvor aluminium-atomerne er arrangeret i en uniform mønster. Dette adskiller sig fra normalt aluminium, som består af små krystal-korn. Dette muliggør en atomisk skarp overgang mellem germanium og aluminium.

“Ikke kun kunne vi demonstrere superledning i rent, upureret germanium for første gang, men vi kunne også vise, at denne struktur kan skiftes mellem ret forskellige drifts tilstande ved hjælp af elektriske felter. En sådan germanium kvante-punkts enhed kan ikke kun være superledende, men også fuldstændig isolerende, eller det kan opføre sig som en Josephson-transistor, et vigtigt grundlæggende element i kvantelektroniske kredsløb,” siger Dr. Sistani.

Ud over dens teoretiske anvendelser kunne disse nye strukturer have en stor indvirkning på fremtidige kvanteenheder.