新しい電子部品が量子エレクトロニクスで重要な役割を果たす可能性がある

ウィーン工科大学（TU Wien）で開発された新しい電子部品が、量子情報技術の開発において重要な役割を果たす可能性がある。特製の製造プロセスを通じて、純ゲルマニウムとアルミニウムが結合し、原子レベルの精密なインターフェースを作成することができる。

この新しいプロセスに関する研究は、Advanced Materialsに掲載された。

新しいアプローチの開発

このプロセスにより、金属-半導体-金属ヘテロ構造が作成され、低温では独自の効果が発現する。低温では、アルミニウムが超伝導性を示し、この特性は隣接するゲルマニウム半導体にも伝達される。また、電界によって制御することも可能である。

これらの特性により、量子技術における複雑なアプリケーションに特に適している。特に、量子ビットの処理に使用できる。新しいファブリケーション技術の開発は不要であり、既存の半導体ファブリケーション技術を使用してゲルマニウムベースの量子エレクトロニクスを実現できる。

ウィーン工科大学の固体物理学研究所のマシアル・シスタニ博士は、「ゲルマニウムは、より高速でエネルギー効率の高い部品の開発における半導体技術において重要な役割を果たす材料である」と述べている。

「ゲルマニウムは、より高速でエネルギー効率の高い部品の開発における半導体技術において重要な役割を果たす材料である」とシスタニ博士は述べている。

2つの材料のインターフェース。（画像：TU Wien）

課題への対処

ナノメートルスケールで部品を製造する場合、重大な問題が発生する。特に、材料の特性により、高品質の電気接触を作成することが難しくなり、接触点での小さな不純物の影響が大きく、電気的特性が大きく変化することがある。

「したがって、新しい製造方法を開発し、信頼性と再現性の高い接触特性を実現することを目指している」とシスタニ博士は述べている。

このアプローチの鍵は温度にある。ナノメートル構造のゲルマニウムとアルミニウムが接触し、加熱すると、両方の材料の原子が相互に拡散し始める。しかし、拡散の程度は異なる。

ゲルマニウムの原子はアルミニウムに迅速に拡散するが、アルミニウムの原子はほとんど拡散しない。

「したがって、アルミニウムの接触点を薄いゲルマニウムナノワイヤーに接続し、温度を350度まで上昇させると、ゲルマニウムの原子はナノワイヤーの端から拡散し、空間が生じる。そこにアルミニウムが容易に浸入することができる」とシスタニ博士は述べている。 「最終的に、ナノワイヤーの中心部のみがゲルマニウムで構成されており、残りの部分はアルミニウムで満たされている」。

新しい製造方法により、単一の完全な結晶が形成され、アルミニウムの原子が均一なパターンで配列される。これは通常のアルミニウムと異なり、微小な結晶粒で構成されている。ゲルマニウムとアルミニウムの間の原子レベルの精密な遷移が可能となる。

「純粋な不純物を含まないゲルマニウムで超伝導性を初めて実証し、電界を使用してこの構造をスイッチングできることを示した。ゲルマニウム量子ドットデバイスは、超伝導性や完全絶縁性を示すことができ、またはジョセフソントランジスターのように動作することができる。これは、量子エレクトロニック回路の重要な基本要素である」とシスタニ博士は述べている。

これらの新しい構造は、将来の量子デバイスに大きな影響を与える可能性がある。また、理論的な応用にも期待が持たれている。