Νέα Ηλεκτρονική Συσκευή Could Παίξει Κλειδί Ρόλο στην Κβαντική Ηλεκτρονική

Μια νέα ηλεκτρονική συσκευή από το TU Wien (Βιέννη) μπορεί να παίξει κλειδί ρόλο στην ανάπτυξη της κβαντικής τεχνολογίας πληροφοριών. Μέσω μιας προσαρμοσμένης διαδικασίας κατασκευής, το καθαρό γερμάνιο συνδέεται με αλουμίνιο για να ενεργοποιήσει τη δημιουργία ατομικά οξυμένων διεπαφών.

Η έρευνα που περιγράφει αυτή τη νέα διαδικασία δημοσιεύθηκε στο Advanced Materials.

Ανάπτυξη της Νέας Προσέγγισης

Αυτό που προκύπτει από αυτό είναι μια μονολιθική μεταλλο-ημιαγωγό-μετάλλου ετεροδομή, η οποία εμφανίζει μοναδικά αποτελέσματα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Σε αυτές τις χαμηλές θερμοκρασίες, το αλουμίνιο γίνεται siêu αγώγιμο και αυτή η ιδιότητα μεταφέρεται στο γειτονικό ημιαγωγό γερμάνιο. Αυτό επίσης επιτρέπει να ελεγχθεί ειδικά με ηλεκτρικά πεδία.

Αυτές οι ιδιότητες τη καθιστούν ιδιαίτερα χρήσιμη για σύνθετες εφαρμογές στην κβαντική τεχνολογία. Συγκεκριμένα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επεξεργασία κβαντικών bit. Η προσέγγιση δεν απαιτεί την ανάπτυξη εντελώς νέων τεχνολογιών κατασκευής, поскольку οι υφιστάμενες τεχνικές κατασκευής ημιαγωγών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να ενεργοποιήσουν την κβαντική ηλεκτρονική του γερμανίου.

Ο Δρ. Masiar Sistani είναι από το Ινστιτούτο για την Ηλεκτρονική των Στερεών του TU Wien.

«Το γερμάνιο είναι ένα υλικό που θα παίξει σίγουρα ένα σημαντικό ρόλο στην ημιαγωγική τεχνολογία για την ανάπτυξη ταχύτερων και πιο ενεργειακά αποτελεσματικών συστατικών», λέει ο Δρ. Sistani.

Διεπαφή μεταξύ των δύο υλικών. (Εικόνα: TU Wien)

Αντιμετώπιση των Προκλήσεων

Σημαντικά προβλήματα προκύπτουν αν χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή συστατικών σε κλίμακα νανομέτρου. Συγκεκριμένα, το υλικό κάνει δύσκολο να παραχθούν υψηλής ποιότητας ηλεκτρικές επαφές λόγω της μεγάλης επίδρασης των μικρών προσμίξεων στις επαφές, οι οποίες μπορούν να αλλάξουν σημαντικά τις ηλεκτρικές ιδιότητες.

«Έχουμε因此 θέσει τον εαυτό μας το Ziel της ανάπτυξης μιας νέας μεθόδου κατασκευής που επιτρέπει αξιόπιστες και αναπαραγώγιμες επαφικές ιδιότητες», λέει ο Δρ. Sistani.

Ο κλειδί σε αυτήν την προσέγγιση είναι η θερμοκρασία. Όταν νανομετρικά δομημένο γερμάνιο και αλουμίνιο έρχονται σε επαφή και θερμαίνονται, τα άτομα και των δύο υλικών αρχίζουν να διασκορπίζονται στο άλλο υλικό. Ωστόσο, συμβαίνει σε διαφορετικά επίπεδα.

Τα άτομα του γερμανίου κινούνται γρήγορα στο αλουμίνιο, ενώ το αλουμίνιο几乎 δεν διασκορπίζεται καθόλου.

«Έτσι, αν συνδέσετε δύο αλουμινένιες επαφές σε ένα λεπτό νανοσύρμα γερμανίου και αυξήσετε τη θερμοκρασία στα 350 βαθμοί Κελσίου, τα άτομα του γερμανίου διασκορπίζονται από το άκρο του νανοσυρμάτου. Αυτό δημιουργεί κενά χώρους στα οποία το αλουμίνιο μπορεί να διεισδύσει εύκολα», λέει ο Δρ. Sistani. «Στο τέλος, μόνο μια περιοχή λίγων νανομέτρων στο κέντρο του νανοσυρμάτου αποτελείται από γερμάνιο, το υπόλοιπο έχει γεμιστεί από αλουμίνιο».

Η νέα μέθοδος κατασκευής σχηματίζει ένα單ικό κρυστάλλινο υλικό στο οποίο τα άτομα του αλουμινίου είναι διατεταγμένα σε μια ομοιόμορφη διάταξη. Αυτό διαφέρει από το κανονικό αλουμίνιο, το οποίο αποτελείται από μικρά κρυσταλλικά κόκκα. Αυτό επιτρέπει μια ατομικά οξυμένη μετάβαση μεταξύ γερμανίου και αλουμινίου.

«Δεν μόνο κατάφεραμε να αποδείξουμε την υπεραγωγιμότητα στο καθαρό, μη διοπ済γμένο γερμάνιο για πρώτη φορά, αλλά επίσης να δείξουμε ότι αυτή η δομή μπορεί να μεταβαίνει μεταξύ διαφορετικών καταστάσεων λειτουργίας με ηλεκτρικά πεδία. Ένα τέτοιο συσκευή κβαντικού σημείου γερμανίου μπορεί όχι μόνο να είναι υπεραγωγιμότητα αλλά και πλήρως μονωτική, ή μπορεί να συμπεριφέρεται σαν ένας μετασχηματιστής Josephson, ένα σημαντικό βασικό στοιχείο των κβαντικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων», λέει ο Δρ. Sistani.

Εκτός από τις θεωρητικές εφαρμογές, αυτές οι νέες δομές θα μπορούσαν να έχουν một μεγάλη επίδραση στις μελλοντικές κβαντικές συσκευές.