Nieuw elektronisch component kan een sleutelrol spelen in quantum-electronica

Een nieuw elektronisch component van de TU Wien (Wenen) kan een sleutelrol spelen in de ontwikkeling van quantum-informatietechnologie. Door een aangepaste productiemethode wordt zuiver germanium gebonden met aluminium om de creatie van atoomscherpe interfaces mogelijk te maken.

Het onderzoek naar deze nieuwe methode is gepubliceerd in Advanced Materials.

De ontwikkeling van de nieuwe aanpak

Wat hieruit voortkomt, 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 nuttig voor complexe toepassingen in quantumtechnologie. In het bijzonder kan het worden gebruikt om quantumbits te verwerken. De aanpak vereist niet de ontwikkeling van geheel nieuwe fabricagetechologieën, aangezien bestaande halfgeleiderfabricagetechieken 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)

Het aanpakken van uitdagingen

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-kwaliteitselektrische contacten te produceren vanwege de hoge impact van kleine onzuiverheden op de contactpunten, die de elektrische eigenschappen aanzienlijk kunnen veranderen.

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

De sleutel tot deze aanpak is 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. Echter, dit gebeurt in verschillende mate.

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

“Dus, als je twee aluminiumcontacten verbindt met een dunne germaniumnanodraad 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 doordringen,” 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 fabricagemethode vormt een enkel perfect kristal waarin de aluminiumatomen in een uniform patroon zijn gerangschikt. Dit is anders dan normaal aluminium, dat bestaat uit kleine kristallen. Dit maakt een atoomscherpe overgang tussen germanium en aluminium mogelijk.

“Niet alleen konden we supergeleiding demonstreren in zuiver, ongezuiverd 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 germaniumquantumpuntapparaat kan niet alleen supergeleidend zijn, maar ook volledig isolerend, 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 quantumapparaten.