Nieuw elektronisch component kan belangrijke rol spelen in quantum electronica

Een nieuw elektronisch component van de TU Wien (Wenen) kan een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van quantum informatietechnologie. Door middel van een aangepast productieproces wordt zuiver germanium gebonden met aluminium om de creatie van atomaal scherpe interfaces mogelijk te maken.

Het onderzoek waarin dit nieuwe proces wordt beschreven, is gepubliceerd in Advanced Materials.

Ontwikkeling van de nieuwe aanpak

Het resultaat is een monolithische metaal-halfgeleider-metaal heterostructuur, die unieke effecten vertoont bij lage temperaturen. Bij deze lage temperaturen wordt het aluminium supergeleidend, en deze eigenschap wordt overgedragen op het aangrenzende germanium halfgeleider. Dit maakt het ook mogelijk om het specifiek te controleren met elektrische velden.

Deze eigenschappen maken het bijzonder geschikt voor complexe toepassingen in quantumtechnologie. In het bijzonder kan het worden gebruikt om quantum bits te verwerken. De aanpak vereist niet de ontwikkeling van geheel nieuwe fabricagetechologieën, aangezien bestaande halfgeleider fabricagetechieken kunnen worden gebruikt om germanium-gebaseerde quantum electronica mogelijk te maken.

Dr. Masiar Sistani is afkomstig van het Instituut voor Vaste Stof Elektronica aan de TU Wien.

“Germanium is een materiaal dat zeker een belangrijke rol zal spelen in halfgeleidertechnologie voor de ontwikkeling van snellere en energie-efficiëntere componenten”, zegt Dr. Sistani.

Interface tussen de twee materialen. (Afbeelding: TU Wien)

Uitdagingen aanpakken

Grote problemen doen zich voor als het wordt gebruikt om componenten te produceren op nanoschaal. In het bijzonder maakt het materiaal het moeilijk om hoge kwaliteit elektrische contacten te produceren vanwege de grote invloed van kleine onzuiverheden op de contactpunten, die de elektrische eigenschappen aanzienlijk kunnen veranderen.

“We hebben ons daarom tot doel gesteld om een nieuwe productiemethode te ontwikkelen die betrouwbare en reproduceerbare contacteigenschappen mogelijk maakt”, zegt Dr. Sistani.

De sleutel tot deze aanpak is de temperatuur. Wanneer nanometer-geordend germanium en aluminium in contact komen en worden verhit, beginnen de atomen van beide materialen te diffunderen in het andere materiaal. Dit gebeurt echter in verschillende mate.

Germaniumatomen bewegen zich snel in het aluminium, terwijl het laatste nauwelijks diffundeert.

“Als je dus twee aluminiumcontacten verbindt met een dunne germanium nanodraad en de temperatuur verhoogt tot 350 graden Celsius, diffunderen de germaniumatomen van de rand van de nanodraad. Dit creëert lege ruimtes waarin het aluminium gemakkelijk kan binnendringen”, zegt Dr. Sistani. “Uiteindelijk bestaat alleen een paar nanometer groot gebied in het midden van de nanodraad uit germanium, de rest is opgevuld met aluminium.”

De nieuwe productiemethode vormt een enkel perfect kristal waarin de aluminiumatomen in een uniform patroon zijn gerangschikt. Dit is anders dan normaal aluminium, dat bestaat uit kleine kristal korrels. Dit maakt een atomaal scherpe overgang tussen germanium en aluminium mogelijk.

“We konden niet alleen supergeleiding demonstreren in zuiver, ongedoteerd germanium voor het eerst, maar we konden ook laten zien dat deze structuur kan worden geschakeld tussen verschillende bedrijfsstaten met behulp van elektrische velden. Een dergelijk germanium quantum dot apparaat kan niet alleen supergeleidend zijn, maar ook volledig geïsoleerd, of het kan zich gedragen als een Josephson transistor, een belangrijk basis element van quantum elektronische circuits”, zegt Dr. Sistani.

Naast de theoretische toepassingen kunnen deze nieuwe structuren een grote impact hebben op toekomstige quantum apparaten.