ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์นวนิยายสามารถมีบทบาทสำคัญใน Quantum Electronics

ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ใหม่จาก TU Wien (เวียนนา) สามารถมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัม เจอร์เมเนียมบริสุทธิ์จะเชื่อมกับอะลูมิเนียมผ่านกระบวนการผลิตที่ออกแบบเฉพาะ เพื่อให้สามารถสร้างส่วนต่อประสานที่คมชัดในระดับอะตอมได้ 

การวิจัยรายละเอียดกระบวนการใหม่นี้ได้รับการเผยแพร่ใน วัสดุขั้นสูง.

การพัฒนาแนวทางใหม่

สิ่งที่เกิดขึ้นจากสิ่งนี้คือโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้างโลหะ-สารกึ่งตัวนำ-โลหะเสาหิน ซึ่งแสดงผลเฉพาะที่อุณหภูมิต่ำ ที่อุณหภูมิต่ำเหล่านี้ อะลูมิเนียมจะกลายเป็นตัวนำยิ่งยวด และคุณสมบัตินี้จะถูกถ่ายโอนไปยังเซมิคอนดักเตอร์เจอร์เมเนียมที่อยู่ติดกัน นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถควบคุมได้ด้วยสนามไฟฟ้าโดยเฉพาะ

คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ซับซ้อนในเทคโนโลยีควอนตัม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสามารถใช้ในการประมวลผลควอนตัมบิต แนวทางนี้ไม่ต้องการการพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตใหม่ทั้งหมดตั้งแต่เซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่ สามารถใช้เทคนิคการผลิตเพื่อเปิดใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควอนตัมที่ใช้เจอร์เมเนียม 

ดร. Masiar Sistani จากสถาบัน Solid State Electronics ที่ TU Wien 

“เจอร์เมเนียมเป็นวัสดุที่จะมีบทบาทสำคัญในเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์สำหรับการพัฒนาส่วนประกอบที่รวดเร็วและประหยัดพลังงานมากขึ้น” ดร. ซิสตานีกล่าว 

จัดการกับความท้าทาย

ปัญหาสำคัญจะเกิดขึ้นหากใช้ในการผลิตส่วนประกอบในระดับนาโนเมตร โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วัสดุนี้ทำให้ยากต่อการสร้างหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าคุณภาพสูง เนื่องจากมีผลกระทบสูงจากสิ่งเจือปนขนาดเล็กที่จุดสัมผัส ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้าได้อย่างมาก

“เราจึงกำหนดหน้าที่ในการพัฒนาวิธีการผลิตแบบใหม่ที่ช่วยให้มีคุณสมบัติการสัมผัสที่เชื่อถือได้และทำซ้ำได้” ดร. ซิสตานีกล่าว

กุญแจสำคัญของแนวทางนี้คืออุณหภูมิ เมื่อเจอร์เมเนียมและอะลูมิเนียมที่มีโครงสร้างเป็นนาโนเมตรสัมผัสกันและถูกให้ความร้อน อะตอมของวัสดุทั้งสองจะเริ่มกระจายเข้าสู่วัสดุอีกชนิดหนึ่ง อย่างไรก็ตาม มันเกิดขึ้นในขอบเขตที่ต่างกัน 

อะตอมของเจอร์เมเนียมจะเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วเข้าไปในอะลูมิเนียม ในขณะที่อะตอมของธาตุเจอร์เมเนียมแทบจะไม่กระจายตัวเลย

“ดังนั้น หากคุณเชื่อมต่อหน้าสัมผัสอะลูมิเนียมสองหน้าเข้ากับเส้นลวดนาโนของเจอร์เมเนียมบาง ๆ และเพิ่มอุณหภูมิเป็น 350 องศาเซลเซียส อะตอมของเจอร์เมเนียมจะกระจายออกจากขอบของเส้นลวดนาโน สิ่งนี้ทำให้เกิดช่องว่างที่อะลูมิเนียมสามารถเจาะเข้าไปได้อย่างง่ายดาย” ดร. ซิสตานีกล่าว “ในท้ายที่สุด พื้นที่เพียงไม่กี่นาโนเมตรตรงกลางเส้นลวดนาโนประกอบด้วยเจอร์เมเนียม ส่วนที่เหลือถูกเติมด้วยอะลูมิเนียม”

วิธีการผลิตแบบใหม่นี้ก่อให้เกิดผลึกเดี่ยวที่สมบูรณ์แบบ ซึ่งอะตอมของอะลูมิเนียมถูกจัดเรียงในรูปแบบที่สม่ำเสมอ ซึ่งแตกต่างจากอะลูมิเนียมทั่วไปซึ่งประกอบด้วยเม็ดคริสตัลเล็กๆ สิ่งนี้ช่วยให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่คมชัดระดับอะตอมระหว่างเจอร์เมเนียมและอะลูมิเนียม

“ไม่เพียงแต่เราสามารถแสดงการนำยิ่งยวดในเจอร์เมเนียมบริสุทธิ์ที่ไม่ได้เจือได้เป็นครั้งแรก เรายังสามารถแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างนี้สามารถสลับไปมาระหว่างสถานะการทำงานที่แตกต่างกันได้โดยใช้สนามไฟฟ้า อุปกรณ์เจอร์เมเนียมควอนตัมดอทดังกล่าวไม่เพียงแต่เป็นตัวนำยิ่งยวดเท่านั้น แต่ยังเป็นฉนวนอย่างสมบูรณ์ หรือสามารถทำงานเหมือนทรานซิสเตอร์โจเซฟสัน ซึ่งเป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่สำคัญของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ควอนตัม” ดร. ซิสตานีกล่าว

นอกเหนือจากการใช้งานเชิงทฤษฎีแล้ว โครงสร้างใหม่เหล่านี้อาจมีผลกระทบอย่างมากต่ออุปกรณ์ควอนตัมในอนาคต