Nowy elektroniczny komponent może odegrać kluczową rolę w elektronice kwantowej

Nowy elektroniczny komponent opracowany przez TU Wien (Wiedeń) może odegrać kluczową rolę w rozwoju technologii informacji kwantowej. Dzięki opracowanej technologii produkcji, czysty german jest łączony z aluminium, co umożliwia stworzenie atomowo ostrych interfejsów.

Badania dotyczące tego nowego procesu zostały opublikowane w Advanced Materials.

Opracowanie nowego podejścia

Wynikiem tego jest monolityczna metalowo-półprzewodnikowa heterostruktura, 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 kontrolę za pomocą pól elektrycznych.

Te właściwości sprawiają, że jest to szczególnie przydatne w złożonych aplikacjach technologii kwantowej. W szczególności może być używane do przetwarzania kwantowych bitów. Podejście to nie wymaga opracowania całkowicie nowych technologii produkcji, ponieważ istniejące techniki produkcji półprzewodników mogą być używane do umożliwienia elektroniki kwantowej opartej na germanie.

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

„German jest materiałem, który z pewnością odegra ważną rolę w technologii półprzewodników dla rozwoju szybszych i bardziej efektywnych energetycznie komponentów” – mówi dr Sistani.

Interfejs między dwoma materiałami. (Obraz: TU Wien)

Rozwiązywanie problemów

Poważne problemy pojawiają się, gdy jest używany do produkcji komponentów na skalę nanometryczną. W szczególności, materiał sprawia, że trudno jest wytworzyć wysokiej jakości kontakty elektryczne ze względu na duży wpływ małych zanieczyszczeń w punktach kontaktu, które mogą znacznie zmienić właściwości elektryczne.

„Zatem postawiliśmy sobie za cel opracowanie nowej metody produkcji, która umożliwia niezawodne i powtarzalne właściwości kontaktów” – mówi dr Sistani.

Kluczem do tego podejścia jest temperatura. Gdy nanometrycznie ustrukturyzowany 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 aluminium ledwie dyfunduje.

„Zatem, jeśli połączysz dwa kontakty aluminium z cienką nanodrutową germanową i podniesiesz temperaturę do 350 stopni Celsjusza, atomy germanu dyfundują z krawędzi nanodrutowej. Tworzy to puste przestrzenie, do których aluminium może łatwo przeniknąć” – mówi dr Sistani. „Ostatecznie tylko kilka nanometrycznych obszarów w środku nanodrutowej składa się z germanu, reszta została wypełniona przez 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 kryształów. Umożliwia to atomowo ostry przejście między germanem a aluminium.

“Nie tylko udało nam się wykazać nadprzewodnictwo w czystym, nie domieszkowanym germanie po raz pierwszy, ale także udało nam się pokazać, że ta struktura może być przełączana między różnymi stanami roboczymi za pomocą pól elektrycznych. Taki urządzenie kwantowe z germanowym punktem może nie tylko być nadprzewodnikiem, ale także całkowicie izolującym, lub może zachowywać się jak tranzystor Josephsona, ważny podstawowy element obwodów elektronicznych kwantowych” – mówi dr Sistani.

Ponadto, te nowe struktury mogą mieć duży wpływ na przyszłe urządzenia kwantowe.