Nuevo componente electrónico podría desempeñar un papel clave en la electrónica cuántica

Un nuevo componente electrónico de la TU Wien (Viena) podría desempeñar un papel clave en el desarrollo de la tecnología de la información cuántica. A través de un proceso de fabricación personalizado, el germanio puro se combina con aluminio para permitir la creación de interfaces atomicamente afiladas. 

La investigación que detalla este nuevo proceso se publicó en Advanced Materials.

Desarrollando el nuevo enfoque

Lo que sale de esto es una heteroestructura metálica-semiconductora-metálica monolítica, que muestra efectos únicos a bajas temperaturas. A estas bajas temperaturas, el aluminio se vuelve superconductor, y esta propiedad se transfiere al semiconductor de germanio adyacente. Esto también permite controlarlo específicamente con campos eléctricos.

Estas características lo hacen especialmente útil para aplicaciones complejas en tecnología cuántica. En particular, se puede utilizar para procesar bits cuánticos. El enfoque no requiere el desarrollo de tecnologías de fabricación completamente nuevas, ya que se pueden utilizar técnicas de fabricación de semiconductores existentes para permitir la electrónica cuántica basada en germanio. 

El Dr. Masiar Sistani es del Instituto de Electrónica de Estado Sólido de la TU Wien. 

“El germanio es un material que definitivamente desempeñará un papel importante en la tecnología de semiconductores para el desarrollo de componentes más rápidos y eficientes en términos de energía”, dice el Dr. Sistani. 

Interfaz entre los dos materiales. (Imagen: TU  Wien)

Abordando desafíos

Surgen problemas importantes si se utiliza para producir componentes a escala nanométrica. En particular, el material hace que sea difícil producir contactos eléctricos de alta calidad debido al gran impacto de las pequeñas impurezas en los puntos de contacto, que pueden alterar significativamente las propiedades eléctricas.

“Por lo tanto, nos hemos fijado la tarea de desarrollar un nuevo método de fabricación que permita propiedades de contacto confiables y reproducibles”, dice el Dr. Sistani.

La clave de este enfoque es la temperatura. Cuando el germanio y el aluminio nanoestructurados entran en contacto y se calientan, los átomos de ambos materiales comienzan a difundirse en el otro material. Sin embargo, sucede en diferentes grados. 

Los átomos de germanio se mueven rápidamente hacia el aluminio, mientras que este apenas se difunde en absoluto.

“Así, si conectas dos contactos de aluminio a un nanohilo de germanio delgado y elevas la temperatura a 350 grados Celsius, los átomos de germanio se difunden desde el borde del nanohilo. Esto crea espacios vacíos en los que el aluminio puede penetrar fácilmente”, dice el Dr. Sistani. “Al final, solo una pequeña área de unos pocos nanómetros en el medio del nanohilo consiste en germanio, el resto ha sido llenado con aluminio”.

El nuevo método de fabricación forma un solo cristal perfecto en el que los átomos de aluminio están dispuestos en un patrón uniforme. Esto es diferente del aluminio normal, que consiste en pequeños granos cristalinos. Esto permite una transición atomicamente afilada entre el germanio y el aluminio.

“No solo pudimos demostrar superconductividad en germanio puro y no dopado por primera vez, sino que también pudimos mostrar que esta estructura se puede conmutar entre diferentes estados de funcionamiento utilizando campos eléctricos. Un dispositivo de punto cuántico de germanio como este no solo puede ser superconductor, sino también completamente aislante, o puede comportarse como un transistor de Josephson, un elemento básico importante de los circuitos electrónicos cuánticos”, dice el Dr. Sistani.

Además de sus aplicaciones teóricas, estas estructuras novedosas podrían tener un gran impacto en los dispositivos cuánticos del futuro.