Ny elektronisk komponent kan spille en nøkkelrolle i kvantelektronikk

En ny elektronisk komponent fra TU Wien (Wien) kan spille en nøkkelrolle i utviklingen av kvanteinformasjonsteknologi. Gjennom en tilpasset produksjonsprosess blir ren germanium bundet med aluminium for å muliggjøre skaping av atomisk skarpe grenseflater.

Forskningen som omhandler denne nye prosessen ble publisert i Advanced Materials.

Utvikling av den nye tilnærmingen

Det som kommer ut av dette er en monolitisk metal-halvleder-metal heterostruktur, som viser unike effekter ved lave temperaturer. Ved disse lave temperaturer blir aluminium superledende, og denne egenskapen overføres til den tilstøtende germanium-halvlederen. Dette muliggjør også at den kan kontrolleres spesifikt med elektriske felt.

Disse egenskapene gjør den spesielt nyttig for komplekse anvendelser i kvanteteknologi. Spesielt kan den brukes til å prosessere kvantebiter. Tilnærmingen krever ikke utviklingen av helt nye fabrikasjons-teknologier, siden eksisterende halvleder-fabrikasjons-teknikker kan brukes til å muliggjøre germanium-basert kvantelektronikk.

Dr. Masiar Sistani er fra Instituttet for faste stoffers elektronik ved TU Wien.

“Germanium er et materiale som absolutt vil spille en viktig rolle i halvlederteknologi for utviklingen av raskere og mer energi-effektive komponenter,” sier Dr. Sistani.

Grenseflate mellom de to materialene. (Bilde: TU Wien)

Løsning av utfordringer

Store problemer oppstår hvis det brukes til å produsere komponenter på nanometerskala. Spesielt gjør materialet det vanskelig å produsere høykvalitets elektriske kontakter på grunn av den høye impakt av små forurensninger ved kontaktpunktene, som kan endre de elektriske egenskapene betydelig.

“Vi har derfor satt oss målet å utvikle en ny produksjonsmetode som muliggjør pålitelige og reproducerbare kontakt-egenskaper,” sier Dr. Sistani.

Nøkkelen til denne tilnærmingen er temperatur. Når nanometer-strukturert germanium og aluminium kommer i kontakt og varmes opp, begynner atomene i begge materialer å diffundere inn i det andre materialet. Men det skjer i ulik grad.

Germanium-atomer beveger seg raskt inn i aluminium, mens aluminium knapt diffunderer i det hele tatt.

“Derfor, hvis du kobler to aluminium-kontakter til en tynn germanium-nanotråd og øker temperaturen til 350 grader Celsius, diffunderer germanium-atomene ut fra kanten av nanotråden. Dette skaper tomme rom som aluminium kan penetrere lett,” sier Dr. Sistani. “Til slutt består bare et få nanometer stort område i midten av nanotråden av germanium, resten er fylt opp av aluminium.”

Den nye produksjonsmetoden danner en enkelt perfekt krystal hvor aluminium-atomene er arrangerert i en uniform mønster. Dette er forskjellig fra vanlig aluminium, som består av små krystall-korn. Dette muliggjør en atomisk skarp overgang mellom germanium og aluminium.

“Ikke bare kunne vi demonstrere superledning i ren, uproduksjonsgjort germanium for første gang, men vi kunne også vise at denne strukturen kan skiftes mellom ganske forskjellige driftstilstander ved hjelp av elektriske felt. En slik germanium-kvante-punktenhet kan ikke bare være superledende, men også fullstendig isolerende, eller den kan oppføre seg som en Josephson-transistor, et viktig grunnleggende element i kvantelektroniske kretser,” sier Dr. Sistani.

Foruten dens teoretiske anvendelser, kunne disse nye strukturer ha en stor innvirkning på fremtidige kvante-enheter.