Квантовые вычисления
Новый электронный компонент может сыграть ключевую роль в квантовой электронике
Новый электронный компонент от TU Wien (Вена) может сыграть ключевую роль в развитии квантовой информационной технологии. Благодаря индивидуальному производственному процессу чистый германий соединяется с алюминием, что позволяет создавать атомарно четкие интерфейсы.
Исследование, подробно описывающее этот новый процесс, было опубликовано в Передовые материалы.
Разработка нового подхода
В результате получается монолитная гетероструктура металл-полупроводник-металл, проявляющая уникальные эффекты при низких температурах. При этих низких температурах алюминий становится сверхпроводником, и это свойство передается соседнему германиевому полупроводнику. Это также позволяет специально управлять им с помощью электрических полей.
Эти характеристики делают его особенно полезным для сложных приложений в квантовой технологии. В частности, его можно использовать для обработки квантовых битов. Этот подход не требует разработки совершенно новых технологий производства, поскольку существующие полупроводниковые методы изготовления могут быть использованы для включения квантовой электроники на основе германия.
Доктор Масиар Систани из Института твердотельной электроники Технического университета Вены.
«Германий — это материал, который определенно будет играть важную роль в полупроводниковой технологии для разработки более быстрых и энергоэффективных компонентов», — говорит д-р Систани.
Граница между двумя материалами. (Изображение: Технический университет Вены)
Решение проблем
Большие проблемы возникают, если он используется для производства компонентов в нанометровом масштабе. В частности, материал затрудняет изготовление качественных электрических контактов из-за высокого воздействия мелких примесей в местах контакта, которые могут существенно изменить электрические свойства.
«Поэтому мы поставили перед собой задачу разработать новый метод производства, обеспечивающий надежные и воспроизводимые контактные свойства», — говорит д-р Систани.
Ключом к этому подходу является температура. Когда германий и алюминий с нанометровой структурой вступают в контакт и нагреваются, атомы обоих материалов начинают диффундировать в другой материал. Однако это происходит в разной степени.
Атомы германия быстро перемещаются в алюминий, а последний практически не диффундирует.
«Таким образом, если вы соедините два алюминиевых контакта с тонкой германиевой нанопроволокой и повысите температуру до 350 градусов Цельсия, атомы германия диффундируют с края нанопроволоки. Это создает пустые пространства, в которые легко проникает алюминий», — говорит доктор Систани. «В конце концов, только несколько нанометров в середине нанопроволоки состоят из германия, остальная часть заполнена алюминием».
Новый метод изготовления формирует единый совершенный кристалл, в котором атомы алюминия расположены в едином порядке. Это отличается от обычного алюминия, который состоит из крошечных кристаллических зерен. Это обеспечивает атомарно резкий переход между германием и алюминием.
«Мы не только смогли впервые продемонстрировать сверхпроводимость в чистом, нелегированном германии, мы также смогли показать, что эту структуру можно переключать между совершенно разными рабочими состояниями с помощью электрических полей. Такое устройство с германиевой квантовой точкой может быть не только сверхпроводящим, но и полностью изолирующим, или оно может вести себя как джозефсоновский транзистор, важный базовый элемент квантовых электронных схем», — говорит доктор Систани.
Помимо теоретического применения, эти новые структуры могут оказать большое влияние на будущие квантовые устройства.
