Новый электронный компонент может сыграть ключевую роль в квантовой электронике

Новый электронный компонент, разработанный в Техническом университете Вены (TU Wien), может сыграть ключевую роль в развитии квантовой информационной технологии. Благодаря специально разработанному производственному процессу, чистый германий связывается с алюминием, что позволяет создавать атомно-острые интерфейсы.

Исследования, в которых описан этот новый процесс, были опубликованы в Advanced Materials.

Разработка нового подхода

В результате получается монолитная металло-полупроводниковая гетероструктура, которая демонстрирует уникальные эффекты при низких температурах. При этих низких температурах алюминий становится сверхпроводящим, и это свойство передается соседнему германиевому полупроводнику. Это также позволяет контролировать его с помощью электрических полей.

Эти характеристики делают его особенно полезным для сложных применений в квантовой технологии. В частности, он может быть использован для обработки квантовых битов. Этот подход не требует разработки совершенно новых технологий производства, поскольку существующие технологии производства полупроводников могут быть использованы для создания германиевых квантовых электронных устройств.

Доктор Масиар Систани из Института твердотельной электроники Технического университета Вены.

«Германий – это материал, который обязательно сыграет важную роль в технологии полупроводников для разработки более быстрых и энергоэффективных компонентов», – говорит доктор Систани.

Интерфейс между двумя материалами. (Изображение: Технический университет Вены)

Решение проблем

Основные проблемы возникают, если его используют для производства компонентов на нанометровом уровне. В частности, материал делает трудным производство высококачественных электрических контактов из-за высокого воздействия небольших примесей в точках контакта, которые могут значительно изменить электрические свойства.

«Мы поэтому поставили перед собой задачу разработать новый метод производства, который позволит получить надежные и воспроизводимые контактные свойства», – говорит доктор Систани.

Ключом к этому подходу является температура. Когда нанометрово-структурированный германий и алюминий вступают в контакт и нагреваются, атомы обоих материалов начинают диффундировать в другой материал. Однако это происходит в разных масштабах.

Атомы германия быстро перемещаются в алюминий, в то время как последний практически не диффундирует.

«Таким образом, если вы подключите два алюминиевых контакта к тонкому германиевому нанопроводнику и нагреете его до 350 градусов Цельсия, атомы германия диффундируют с края нанопроводника. Это создает пустые пространства, в которые алюминий может легко проникнуть», – говорит доктор Систани. «В итоге, только несколько нанометров в середине нанопроводника состоят из германия, остальное заполнено алюминием».

Новый метод производства образует единственный идеальный кристалл, в котором атомы алюминия расположены в统ной структуре. Это отличается от нормального алюминия, который состоит из крошечных кристаллических зерен. Это позволяет получить атомно-острый переход между германием и алюминием.

«Не только мы смогли продемонстрировать сверхпроводимость в чистом, не легированном германии впервые, но также показали, что эта структура может быть переключена между довольно разными режимами работы с помощью электрических полей. Такое германиевое квантовое точечное устройство может быть не только сверхпроводящим, но и полностью изолирующим, или оно может вести себя как Джозефсоновский транзистор, важный базовый элемент квантовых электронных цепей», – говорит доктор Систани.

Помимо теоретических применений, эти новые структуры могут иметь большое влияние на будущие квантовые устройства.