Ny elektronisk komponent kan spela en nyckelroll i kvantelektronik

En ny elektronisk komponent från TU Wien (Wien) kan spela en nyckelroll i utvecklingen av kvantinformationsteknologi. Genom en anpassad tillverkningsprocess binds rent germanium med aluminium för att möjliggöra skapandet av atomärt skarpa gränssnitt.

Forskningen som beskriver denna nya process publicerades i Advanced Materials.

Utveckling av den nya metoden

Det som kommer ut av detta är en monolitisk metal-halvledar-metal-heterostruktur, som visar unika effekter vid låga temperaturer. Vid dessa låga temperaturer blir aluminium superledande, och denna egenskap överförs till den intilliggande germaniumhalvledaren. Detta möjliggör också att den kan styras specifikt med elektriska fält.

Dessa egenskaper gör den särskilt användbar för komplexa tillämpningar inom kvantteknologi. I synnerhet kan den användas för att bearbeta kvantbitar. Metoden kräver inte utvecklingen av helt nya tillverkningsteknologier, eftersom befintliga halvledartillverkningstekniker kan användas för att möjliggöra germaniumbaserad kvantelektronik.

Dr. Masiar Sistani är från institutet för fast tillståndselektronik vid TU Wien.

“Germanium är ett material som definitivt kommer att spela en viktig roll i halvledarteknologi för utvecklingen av snabbare och mer energieffektiva komponenter”, säger Dr. Sistani.

Gränssnittet mellan de två materialen. (Bild: TU Wien)

Att hantera utmaningar

Stora problem uppstår om det används för att producera komponenter på nanometerskala. I synnerhet gör materialet det svårt att producera högkvalitativa elektriska kontakter på grund av den höga påverkan av små föroreningar vid kontaktpunkterna, som kan ändra de elektriska egenskaperna avsevärt.

“Vi har därför satt oss som mål att utveckla en ny tillverkningsmetod som möjliggör tillförlitliga och reproducerbara kontakt egenskaper”, säger Dr. Sistani.

Nyckeln till denna metod är temperaturen. När nanometer-strukturerat germanium och aluminium kommer i kontakt och värms upp, börjar atomerna i båda materialen att diffundera in i det andra materialet. Men det sker i olika utsträckning.

Germaniumatomer rör sig snabbt in i aluminium, medan den senare knappt diffunderar alls.

“Så om du ansluter två aluminiumkontakter till en tunn germaniumnanotråd och höjer temperaturen till 350 grader Celsius, diffunderar germaniumatomerna ut från kanten av nanotråden. Det skapar tomma utrymmen som aluminium sedan kan fylla”, säger Dr. Sistani. “Till slut består endast ett fåtal nanometer stort område i mitten av nanotråden av germanium, resten har fyllts med aluminium.”

Den nya tillverkningsmetoden bildar en enda perfekt kristall där aluminiumatomerna är arrangerade i en enhetlig mönster. Detta skiljer sig från vanligt aluminium, som består av små kristallkorn. Det möjliggör en atomärt skarp övergång mellan germanium och aluminium.

“Inte bara kunde vi demonstrera superledning i rent, odopat germanium för första gången, utan vi kunde också visa att denna struktur kan växlas mellan ganska olika drifttillstånd med hjälp av elektriska fält. En sådan germanium-kvantprick-enhet kan inte bara vara superledande utan också helt isolerande, eller den kan bete sig som en Josephson-transistor, en viktig grundläggande komponent i kvantelektroniska kretsar”, säger Dr. Sistani.

Förutom dess teoretiska tillämpningar kan dessa nya strukturer ha en stor inverkan på framtida kvantenheter.