Nuovo componente elettronico potrebbe svolgere un ruolo chiave nell’elettronica quantistica

Un nuovo componente elettronico dell’Università Tecnica di Vienna (TU Wien) potrebbe svolgere un ruolo chiave nello sviluppo della tecnologia dell’informazione quantistica. Attraverso un processo di produzione personalizzato, il germanio puro viene legato all’alluminio per consentire la creazione di interfacce atomicamente affilate.

La ricerca che descrive questo nuovo processo è stata pubblicata su Advanced Materials.

Sviluppo del nuovo approccio

Ciò che ne risulta è una eterostruttura metallo-semiconduttore-metallo monolitica, che mostra effetti unici a basse temperature. A queste basse temperature, l’alluminio diventa superconduttore e questa proprietà viene trasferita al semiconduttore di germanio adiacente. Ciò consente anche di controllarlo specificamente con campi elettrici.

Queste caratteristiche lo rendono particolarmente utile per applicazioni complesse nella tecnologia quantistica. In particolare, può essere utilizzato per l’elaborazione di bit quantistici. L’approccio non richiede lo sviluppo di tecnologie di fabbricazione completamente nuove, poiché le tecniche di fabbricazione dei semiconduttori esistenti possono essere utilizzate per consentire l’elettronica quantistica basata sul germanio.

Il dott. Masiar Sistani è dell’Istituto di elettronica dello stato solido del TU Wien.

“Il germanio è un materiale che sicuramente svolgerà un ruolo importante nella tecnologia dei semiconduttori per lo sviluppo di componenti più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico”, afferma il dott. Sistani.

Interfaccia tra i due materiali. (Immagine: TU Wien)

Superare le sfide

Sorgono grossi problemi se viene utilizzato per produrre componenti su scala nanometrica. In particolare, il materiale rende difficile produrre contatti elettrici di alta qualità a causa dell’alto impatto di piccole impurezze nei punti di contatto, che possono alterare notevolmente le proprietà elettriche.

“Ci siamo quindi posti l’obiettivo di sviluppare un nuovo metodo di produzione che consenta proprietà di contatto affidabili e riproducibili”, afferma il dott. Sistani.

La chiave di questo approccio è la temperatura. Quando il germanio e l’alluminio strutturati a nanometri entrano in contatto e vengono riscaldati, gli atomi di entrambi i materiali iniziano a diffondersi nell’altro materiale. Tuttavia, ciò avviene in misura diversa.

Gli atomi di germanio si muovono rapidamente nell’alluminio, mentre quest’ultimo a malapena si diffonde.

“Pertanto, se si collegano due contatti di alluminio a un nanofilo di germanio sottile e si aumenta la temperatura a 350 gradi Celsius, gli atomi di germanio si diffondono dal bordo del nanofilo. Ciò crea spazi vuoti nei quali l’alluminio può poi penetrare facilmente”, afferma il dott. Sistani. “Alla fine, solo un’area di pochi nanometri al centro del nanofilo consiste di germanio, il resto è stato riempito con alluminio”.

Il nuovo metodo di produzione forma un singolo cristallo perfetto in cui gli atomi di alluminio sono disposti in un modello uniforme. Ciò è diverso dall’alluminio normale, che consiste di piccoli grani di cristallo. Ciò consente una transizione atomicamente affilata tra germanio e alluminio.

“Non solo siamo riusciti a dimostrare la superconduttività nel germanio puro e non drogato per la prima volta, ma siamo anche riusciti a mostrare che questa struttura può essere commutata tra diversi stati di funzionamento utilizzando campi elettrici. Un tale dispositivo quantistico a punti di germanio non può essere solo superconduttore, ma anche completamente isolante, o può comportarsi come un transistore Josephson, un elemento di base importante dei circuiti elettronici quantistici”, afferma il dott. Sistani.

Oltre alle sue applicazioni teoriche, queste nuove strutture potrebbero avere un grande impatto sui dispositivi quantistici futuri.