ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ใหม่ที่อาจมีบทบาทสำคัญในอิเล็กทรอนิกส์ควอนตัม

ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ใหม่จาก TU Wien (เวียนนา) อาจมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัม โดยใช้กระบวนการผลิตที่ออกแบบมาเพื่อสร้างอินเทอร์เฟซที่คมชัดระดับอะตอมระหว่างเจอร์เมเนียมและอะลูมิเนียม

การวิจัยเกี่ยวกับกระบวนการใหม่นี้ได้รับการตีพิมพ์ใน Advanced Materials.

การสร้างแนวทางใหม่

สิ่งที่ได้มาจากกระบวนการนี้คือโครงสร้าง金属-เซมิคอนดักเตอร์-โลหะที่มีลักษณะเฉพาะที่อุณหภูมิต่ำ เมื่ออุณหภูมิต่ำ อะลูมิเนียมจะกลายเป็นซูเปอร์คอนดักเตอร์ และคุณสมบัตินี้จะถูกถ่ายทอดไปยังเซมิคอนดักเตอร์เจอร์เมเนียมที่อยู่ใกล้เคียง นอกจากนี้ยังสามารถควบคุมได้ด้วยฟิลด์ไฟฟ้า

ลักษณะเหล่านี้ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ซับซ้อนในเทคโนโลยีควอนตัม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสามารถใช้ในการประมวลผลบิตควอนตัม แนวทางนี้ไม่ต้องการการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตใหม่ๆ เนื่องจากสามารถใช้เทคนิคการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่แล้วเพื่อทำให้เจอร์เมเนียมเป็นฐานของอิเล็กทรอนิกส์ควอนตัม

ดร. มาสิอาร์ ซิสตานี จากสถาบันสำหรับอิเล็กทรอนิกส์ของแข็ง tại TU Wien

“เจอร์เมเนียมเป็นวัสดุที่จะมีบทบาทสำคัญในเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์สำหรับการพัฒนาเครื่องมือที่เร็วขึ้นและประหยัดพลังงานมากกว่า” ดร. ซิสตานีกล่าว

อินเทอร์เฟซระหว่างวัสดุสองชนิด (ภาพ: TU Wien)

การแก้ไขปัญหา

ปัญหาใหญ่เกิดขึ้นเมื่อใช้ในการผลิตส่วนประกอบในระดับนาโนเมตร โดยเฉพาะอย่างยิ่งวัสดุทำให้การผลิตติดต่อไฟฟ้าที่มีคุณภาพสูงยากเนื่องจากผลกระทบของการปนเปื้อนขนาดเล็กที่จุดติดต่อ ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติไฟฟ้าได้อย่างมาก

“ดังนั้น เราจึงตั้งเป้าหมายในการพัฒนากระบวนการผลิตใหม่ที่สามารถให้คุณสมบัติการติดต่อที่เชื่อถือได้และซ้ำได้” ดร. ซิสตานีกล่าว

กุญแจสำคัญของแนวทางนี้คืออุณหภูมิ เมื่อเจอร์เมเนียมและอะลูมิเนียมที่มีโครงสร้างนาโนเมตรสัมผัสกันและถูกทำให้ร้อน อะตอมของวัสดุทั้งสองจะเริ่มแพร่กระจายเข้าสู่วัสดุอื่น แต่จะเกิดขึ้นในระดับที่แตกต่างกัน

อะตอมของเจอร์เมเนียมจะเคลื่อนที่เข้าสู่อะลูมิเนียมอย่างรวดเร็ว ในขณะที่อะลูมิเนียมแทบจะไม่แพร่กระจายเลย

“ดังนั้น หากคุณเชื่อมต่ออะลูมิเนียมสองจุดเข้ากับเส้นลวดเจอร์เมเนียมขนาดนาโนและเพิ่มอุณหภูมิขึ้นถึง 350 องศาเซลเซียส อะตอมของเจอร์เมเนียมจะแพร่กระจายออกจากขอบของเส้นลวด ทำให้เกิดพื้นที่ว่างที่อะลูมิเนียมสามารถเข้าไปได้ง่าย” ดร. ซิสตานีกล่าว “สุดท้าย พื้นที่เพียงไม่กี่นาโนเมตรในกลางเส้นลวดจะประกอบด้วยเจอร์เมเนียม และส่วนที่เหลือจะถูกเติมด้วยอะลูมิเนียม”

วิธีการผลิตใหม่นี้สร้างคริสตัลเดียวที่สมบูรณ์แบบซึ่งอะตอมของอะลูมิเนียมจัดเรียงอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งแตกต่างจากอะลูมิเนียมปกติที่ประกอบด้วยเม็ดคริสตัลขนาดเล็ก นี่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่คมชัดระดับอะตอมระหว่างเจอร์เมเนียมและอะลูมิเนียม

“ไม่เพียงแต่เราได้แสดงให้เห็นถึงการนำซูเปอร์คอนดักเตอร์มาใช้ในเจอร์เมเนียมที่ไม่ได้รับการดัดแปลงเป็นครั้งแรก แต่เรายังสามารถแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างนี้สามารถเปลี่ยนระหว่างสถานะการทำงานที่แตกต่างกันโดยใช้ฟิลด์ไฟฟ้าได้ อุปกรณ์ควอนตัมดอทเจอร์เมเนียมสามารถเป็นซูเปอร์คอนดักเตอร์ได้ไม่เพียงแต่ในสถานะการทำงานที่มีการปิดการทำงานเท่านั้น แต่ยังสามารถทำงานเหมือนทรานซิสเตอร์ Josephson ซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ควอนตัม” ดร. ซิสตานีกล่าว

นอกจากการประยุกต์ใช้ในทางทฤษฎีแล้ว โครงสร้างใหม่เหล่านี้อาจมีผลกระทบอย่างมากต่ออุปกรณ์ควอนตัมในอนาคต