Novo Componente Eletrônico Pode Desempenhar Papel-Chave na Eletrônica Quântica

Um novo componente eletrônico da TU Wien (Viena) pode desempenhar um papel-chave no desenvolvimento da tecnologia de informação quântica. Através de um processo de fabricação personalizado, o germânio puro é ligado ao alumínio para permitir a criação de interfaces atomicamente afiadas. 

A pesquisa que detalha este novo processo foi publicada em Advanced Materials.

Desenvolvendo a Nova Abordagem

O que resulta disso é uma heteroestrutura metálico-semicondutor-metálica monolítica, que apresenta efeitos únicos em baixas temperaturas. Nesses baixas temperaturas, o alumínio se torna supercondutor, e essa propriedade é transferida para o semicondutor de germânio adjacente. Isso também permite que ele seja controlado especificamente com campos elétricos.

Essas características o tornam especialmente útil para aplicações complexas em tecnologia quântica. Em particular, pode ser usado para processar bits quânticos. A abordagem não requer o desenvolvimento de tecnologias de fabricação completamente novas, pois as técnicas de fabricação de semicondutores existentes podem ser usadas para permitir a eletrônica quântica baseada em germânio. 

O Dr. Masiar Sistani é do Instituto de Eletrônica de Estado Sólido da TU Wien. 

“O germânio é um material que definitivamente desempenhará um papel importante na tecnologia de semicondutores para o desenvolvimento de componentes mais rápidos e eficientes em termos de energia”, diz o Dr. Sistani. 

Interface entre os dois materiais. (Imagem: TU  Wien)

Abordando Desafios

Grandes problemas surgem se for usado para produzir componentes em escala nanométrica. Em particular, o material torna difícil produzir contatos elétricos de alta qualidade devido ao grande impacto de pequenas impurezas nos pontos de contato, que podem alterar significativamente as propriedades elétricas.

“Portanto, nos propusemos a desenvolver um novo método de fabricação que permita propriedades de contato confiáveis e reproduzíveis”, diz o Dr. Sistani.

A chave para essa abordagem é a temperatura. Quando o germânio e o alumínio nanoestruturados entram em contato e são aquecidos, os átomos de ambos os materiais começam a difundir para o outro material. No entanto, isso acontece em diferentes graus. 

Os átomos de germânio se movem rapidamente para o alumínio, enquanto o último mal se difunde.

“Assim, se você conectar dois contatos de alumínio a um nanofio de germânio fino e elevar a temperatura a 350 graus Celsius, os átomos de germânio se difundem para fora da borda do nanofio. Isso cria espaços vazios nos quais o alumínio pode facilmente penetrar”, diz o Dr. Sistani. “No final, apenas uma área de alguns nanômetros no meio do nanofio consiste em germânio, o resto foi preenchido com alumínio.”

O novo método de fabricação forma um único cristal perfeito no qual os átomos de alumínio estão arranjados em um padrão uniforme. Isso é diferente do alumínio normal, que consiste em pequenos grãos de cristal. Isso permite uma transição atomicamente afiada entre o germânio e o alumínio.

“Não apenas demonstramos supercondutividade em germânio puro e não dopado pela primeira vez, mas também mostramos que essa estrutura pode ser comutada entre diferentes estados de operação usando campos elétricos. Tal dispositivo de ponto quântico de germânio não apenas pode ser supercondutor, mas também completamente isolante, ou pode se comportar como um transistor Josephson, um elemento básico importante de circuitos eletrônicos quânticos”, diz o Dr. Sistani.

Além de suas aplicações teóricas, essas novas estruturas podem ter um grande impacto em dispositivos quânticos futuros.