Uudenlainen sähköinen komponentti voi olla avainasemassa kvantti-elektroniikassa

Uusi sähköinen komponentti TU Wienistä (Wien) voi olla avainasemassa kvantti-informaatioteknologian kehittämisessä. Räätälöidyn valmistusprosessin kautta puhdas germaniumi yhdistetään alumiiniin, mikä mahdollistaa atomisesti terävien rajapintojen luomisen.

Tutkimus, jossa tämä uusi prosessi on esitetty, on julkaistu Advanced Materials -julkaisussa.

Uuden lähestymistavan kehittäminen

Tuloksena on monoliittinen metalli-puolijohde-metalli-heterorakenne, joka näyttää ainutlaatuisia vaikutuksia matalissa lämpötiloissa. Näissä matalissa lämpötiloissa alumiini muuttuu suprajohteiseksi, ja tämä ominaisuus siirtyy viereiseen germaniumi-puolijohdeeseen. Tämä mahdollistaa myös sen tarkkaan säätämisen sähkökentillä.

Nämä ominaisuudet tekevät siitä erityisen hyödyllisen monimutkaisiin sovelluksiin kvantti-teknologiassa. Erityisesti se voidaan käyttää kvantibittien prosessointiin. Lähestymistapa ei vaadi kokonaan uusien valmistusteknologioiden kehittämistä, koska olemassa olevia puolijohde-valmistustekniikoita voidaan käyttää germaniumi-pohjaisen kvantti-elektroniikan mahdollistamiseen.

Tohtori Masiar Sistani on TU Wienin kiinteän olomuodon elektroniikan instituutista.

“Germaniumi on materiaali, joka varmasti tulee olemaan tärkeässä asemassa puolijohde-teknologiassa nopeampien ja energiatehokkaampien komponenttien kehittämisessä”, sanoo tohtori Sistani.

Rajapinta kahden materiaalin välillä. (Kuva: TU Wien)

Haasteiden ratkaiseminen

Suuria ongelmia syntyy, jos sitä käytetään komponenttien valmistukseen nanometrin mittakaavassa. Erityisesti materiaali tekee siitä vaikean tuottaa laadukkaita sähköisiä kontakteja pienten epäpuhtauksien suuren vaikutuksen vuoksi kosketuspisteissä, mikä voi muuttaa merkittävästi sähköisiä ominaisuuksia.

“Olemme asettaneet itsellemme tehtäväksi kehittää uusi valmistusmenetelmä, joka mahdollistaa luotettavat ja toistettavat kosketusominaisuudet”, sanoo tohtori Sistani.

Avain tässä lähestymistavassa on lämpötila. Kun nanometrin kokoiset germaniumi ja alumiini ovat kosketuksissa ja ne kuumennetaan, molempien materiaalien atomit alkavat diffundoitua toiseen materiaaliin. Tämä kuitenkin tapahtuu eri tavoin.

Germaniumin atomit liikkuvat nopeasti alumiiniin, kun taas alumiini itse diffundoituu vain vähän.

“Näin, jos liität kaksi alumiinikosketinta ohueen germaniumin nanolankaan ja nostat lämpötilan 350 asteeseen celsius, germaniumin atomit diffundoituvat nanolangan reunasta. Tämä luo tyhjiä tiloja, joihin alumiini voi helposti tunkeutua”, sanoo tohtori Sistani. “Lopputuloksena vain muutamien nanometrien alue nanolangan keskellä koostuu germaniumista, loput on täytetty alumiinilla.”

Uusi valmistusmenetelmä muodostaa yhden täydellisen kristallin, jossa alumiinin atomit ovat järjestetty yhdenmukaisessa kuviossa. Tämä on erilaista kuin normaali alumiini, joka koostuu pienten kiteiden joukosta. Tämä mahdollistaa atomisesti terävän siirtymän germaniumin ja alumiinin välillä.

“Emme vain onnistuneet osoittamaan suprajohtavuutta puhdassa, dopingittomassa germaniumissa ensimmäistä kertaa, vaan myös osoittamaan, että tämä rakenne voidaan kytkeä eri toimintatilojen välillä sähkökentillä. Tällainen germaniumin kvanttipistelaitteisto voidaan tehdä suprajohteiseksi, täysin eristäväksi tai se voidaan käyttää Josephsonin transisttorina, joka on tärkeä peruselementti kvantti-elektronisissa piireissä”, sanoo tohtori Sistani.

Lisäksi teoreettisten sovellusten, nämä uudet rakenteet voivat vaikuttaa merkittävästi tuleviin kvanttilaitteisiin.