Quantum Computing
Ny elektronisk komponent kunne spille en nøglerolle i kvanteelektronik
En ny elektronisk komponent fra TU Wien (Wien) kunne spille en nøglerolle i udviklingen af kvanteinformationsteknologi. Gennem en skræddersyet fremstillingsproces bindes rent germanium med aluminium for at muliggøre skabelsen af atomisk skarpe grænseflader.
Forskningen, der beskriver denne nye proces, blev offentliggjort i Advanced Materials.
Udvikling 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 aluminiumet superledende, og denne egenskab overføres til den tilstødende germaniumhalvleder. Dette gør det også muligt at styre den specifikt med elektriske felter.
Disse egenskaber gør det særligt anvendeligt til komplekse applikationer inden for kvanteteknologi. Det kan især bruges til at behandle kvantebits. Tilgangen kræver ikke udvikling af helt nye fremstillingsteknologier siden eksisterende halvleder fremstillingsteknikker kan bruges til at muliggøre germanium-baseret kvanteelektronik.
Dr. Masiar Sistani er fra Institute for Solid State Electronics på TU Wien.
"Germanium er et materiale, som helt sikkert vil spille en vigtig rolle i halvlederteknologi til udvikling af hurtigere og mere energieffektive komponenter," siger Dr. Sistani.
Interface mellem de to materialer. (Billede: TU Wien)
Håndtering af udfordringer
Store problemer opstår, hvis det bruges til at producere komponenter på nanometerskala. Især gør materialet det vanskeligt at producere elektriske kontakter af høj kvalitet på grund af den store påvirkning af små urenheder ved kontaktpunkterne, som kan ændre de elektriske egenskaber væsentligt.
"Vi har derfor sat os til opgave at udvikle en ny fremstillingsmetode, der muliggør pålidelige og reproducerbare kontaktegenskaber," siger Dr. Sistani.
Nøglen til denne tilgang er temperatur. Når nanometerstruktureret germanium og aluminium kommer i kontakt og opvarmes, begynder atomerne i begge materialer at diffundere ind i det andet materiale. Det sker dog i forskelligt omfang.
Germanium-atomer bevæger sig hurtigt ind i aluminiumet, mens sidstnævnte næsten ikke diffunderer overhovedet.
”Hvis man således forbinder to aluminiumskontakter til en tynd germanium nanotråd og hæver temperaturen til 350 grader Celsius, diffunderer germaniumatomerne ud fra kanten af nanotråden. Dette skaber tomme rum, som aluminium let kan trænge ind i,” siger Dr. Sistani. "I sidste ende består kun et par nanometer område i midten af nanotråden af germanium, resten er blevet fyldt op af aluminium."
Den nye fremstillingsmetode danner en enkelt perfekt krystal, hvor aluminiumsatomerne er arrangeret i et ensartet mønster. Dette er forskelligt fra almindeligt aluminium, som består af bittesmå krystalkorn. Dette muliggør en atomisk skarp overgang mellem germanium og aluminium.
"Vi var ikke kun i stand til at demonstrere superledning i rent, udopet germanium for første gang, vi var også i stand til at vise, at denne struktur kan skiftes mellem ganske forskellige driftstilstande ved hjælp af elektriske felter. Sådan en germanium quantum dot enhed kan ikke kun være superledende, men også fuldstændig isolerende, eller den kan opføre sig som en Josephson transistor, et vigtigt grundlæggende element i kvante elektroniske kredsløb,” siger Dr. Sistani.
Ud over dets teoretiske anvendelser kan disse nye strukturer have en stor indflydelse på fremtidige kvanteenheder.
