Nouvel élément électronique pourrait jouer un rôle clé dans l’électronique quantique

Un nouvel élément électronique de la TU Wien (Vienne) pourrait jouer un rôle clé dans le développement de la technologie de l’information quantique. Grâce à un processus de fabrication personnalisé, du germanium pur est lié à de l’aluminium pour permettre la création d’interfaces atomiquement nettes. 

La recherche détaillant ce nouveau processus a été publiée dans Advanced Materials.

Développement de la nouvelle approche

Ce qui en résulte est une hétérostructure métal-semiconducteur-métal monolithique, qui présente des effets uniques à basses températures. À ces basses températures, l’aluminium devient supraconducteur, et cette propriété est transférée au semiconducteur de germanium adjacent. Cela permet également de le contrôler spécifiquement avec des champs électriques.

Ces caractéristiques le rendent particulièrement utile pour des applications complexes en technologie quantique. En particulier, il peut être utilisé pour traiter des bits quantiques. L’approche ne nécessite pas le développement de technologies de fabrication entièrement nouvelles, car les techniques de fabrication de semiconducteurs existantes peuvent être utilisées pour permettre une électronique quantique à base de germanium. 

Le Dr Masiar Sistani est de l’Institut d’électronique des solides de la TU Wien. 

« Le germanium est un matériau qui jouera certainement un rôle important dans la technologie des semiconducteurs pour le développement de composants plus rapides et plus économes en énergie », déclare le Dr Sistani. 

Interface entre les deux matériaux. (Image: TU  Wien)

Résolution des défis

De grands problèmes surgissent si l’on utilise ce matériau pour produire des composants à l’échelle nanométrique. En particulier, le matériau rend difficile la production de contacts électriques de haute qualité en raison de l’impact important des petites impuretés aux points de contact, qui peuvent modifier considérablement les propriétés électriques.

« Nous nous sommes donc fixé pour tâche de développer une nouvelle méthode de fabrication qui permet des propriétés de contact fiables et reproductibles », déclare le Dr Sistani.

La clé de cette approche réside dans la température. Lorsque des germanium et de l’aluminium nanostructurés entrent en contact et sont chauffés, les atomes des deux matériaux commencent à diffuser dans l’autre matériau. Cependant, cela se produit à des degrés différents. 

Les atomes de germanium se déplacent rapidement dans l’aluminium, tandis que ce dernier diffuse à peine.

« Ainsi, si vous connectez deux contacts d’aluminium à un nanofil de germanium mince et que vous augmentez la température à 350 degrés Celsius, les atomes de germanium diffusent à partir du bord du nanofil. Cela crée des espaces vides dans lesquels l’aluminium peut alors pénétrer facilement », déclare le Dr Sistani. « À la fin, seule une petite zone d’environ quelques nanomètres au milieu du nanofil est constituée de germanium, le reste a été rempli d’aluminium. »

La nouvelle méthode de fabrication forme un seul cristal parfait dans lequel les atomes d’aluminium sont disposés dans un motif uniforme. Cela diffère de l’aluminium normal, qui est constitué de petits grains de cristal. Cela permet une transition atomiquement nette entre le germanium et l’aluminium.

« Non seulement avons-nous pu démontrer la supraconductivité dans du germanium pur et non dopé pour la première fois, mais nous avons également pu montrer que cette structure peut être commutée entre différents états de fonctionnement à l’aide de champs électriques. Un tel dispositif de point quantique à base de germanium ne peut pas seulement être supraconducteur, mais également complètement isolant, ou il peut se comporter comme un transistor Josephson, un élément de base important des circuits électroniques quantiques », déclare le Dr Sistani.

En plus de ses applications théoriques, ces nouvelles structures pourraient avoir un grand impact sur les appareils quantiques futurs.