Nowy elektroniczny komponent może odegrać kluczową rolę w elektronice kwantowej

Nowy elektroniczny komponent z TU Wien (Wiedeń) może odegrać kluczową rolę w rozwoju technologii informacji kwantowej. Dzięki dostosowanemu procesowi produkcyjnego, czysty german może być połączony z aluminium, co umożliwia stworzenie atomowo ostrej granicy.

Badania dotyczące tego nowego procesu zostały opublikowane w Advanced Materials.

Rozwój nowego podejścia

Wynikiem tego jest monolityczna metalowo-półprzewodnikowa struktura heterogeniczna, która wykazuje unikalne efekty przy niskich temperaturach. Przy tych niskich temperaturach, aluminium staje się nadprzewodnikiem, a ta właściwość jest przenoszona na sąsiedni półprzewodnik germanowy. Umożliwia to również jego kontrolę przy użyciu pól elektrycznych.

Te cechy sprawiają, że jest on szczególnie przydatny do złożonych aplikacji w technologii kwantowej. W szczególności może być on wykorzystany do przetwarzania kwantowych bitów. Podejście to nie wymaga opracowania całkowicie nowych technologii produkcyjnych, ponieważ istniejące techniki produkcyjne półprzewodników mogą być wykorzystane do umożliwienia germanowego elektroniki kwantowej.

Dr Masiar Sistani jest z Instytutu Elektroniki Ciała Stałego na TU Wien.

„German to materiał, który z pewnością odegra ważną rolę w technologii półprzewodników dla rozwoju szybszych i bardziej efektywnych energetycznie komponentów”, mówi Dr Sistani.

Granica między dwoma materiałami. (Zdjęcie: TU Wien)

Rozwiązanie problemów

Poważne problemy pojawiają się, gdy jest on wykorzystywany do produkcji komponentów na skalę nanometrowej. W szczególności, materiał ten utrudnia wytwarzanie wysokiej jakości kontaktów elektrycznych ze względu na duży wpływ małych zanieczyszczeń w punktach kontaktowych, które mogą znacznie zmienić właściwości elektryczne.

„Zatem postawiliśmy sobie za cel opracowanie nowej metody produkcyjnej, która umożliwia niezawodne i powtarzalne właściwości kontaktowe”, mówi Dr Sistani.

Kluczem do tego podejścia jest temperatura. Gdy nanostrukturalny german i aluminium mają kontakt i są nagrzewane, atomy obu materiałów zaczynają dyfundować do innego materiału. Jednak dzieje się to w różnym stopniu.

Atomy germanu poruszają się szybko do aluminium, podczas gdy ten ostatni ledwo dyfunduje.

„Tak więc, jeśli połączysz dwa kontakty aluminiowe z cienką nanodrutową germanową i podniesiesz temperaturę do 350 stopni Celsjusza, atomy germanu dyfundują z krawędzi nanodrutowej. Tworzą one puste przestrzenie, do których aluminium może następnie łatwo przeniknąć”, mówi Dr Sistani. “Ostatecznie tylko kilka nanometrowej powierzchni w środku nanodrutowej składa się z germanu, reszta została wypełniona aluminium.”

Nowa metoda produkcji tworzy jeden idealny kryształ, w którym atomy aluminium są ułożone w jednolitym wzorze. Jest to inaczej niż normalne aluminium, które składa się z małych ziaren kryształowych. Umożliwia to atomowo ostry przejście między germanem a aluminium.

“Nie tylko udało nam się wykazać nadprzewodność w czystym, nie domieszkowanym germanie po raz pierwszy, ale także udowodniliśmy, że ta struktura może być przełączana między różnymi stanami roboczymi przy użyciu pól elektrycznych. Taki urządzenie kwantowego punktu germanowego nie tylko może być nadprzewodnikiem, ale także całkowicie izolującym lub może zachowywać się jak tranzystor Josephsona, ważny podstawowy element obwodów elektronicznych kwantowych”, mówi Dr Sistani.

Oprócz zastosowań teoretycznych, te nowe struktury mogą mieć duży wpływ na przyszłe urządzenia kwantowe.