Нова електронна компонента може зіграти ключову роль у квантовій електроніці

Нова електронна компонента від Віденського технічного університету (TU Wien) може зіграти ключову роль у розвитку квантової інформаційної технології. Завдяки спеціально розробленому виробничому процесу, чистий германій сполучається з алюмінієм, що дозволяє створювати атомно-різкі інтерфейси.

Дослідження, що описує цей новий процес, було опубліковано в Advanced Materials.

Розробка нового підходу

В результаті цього процесу отримується монолітна метал-напівпровідник-метал гетероструктура, яка демонструє унікальні ефекти при низьких температурах. При цих низьких температурах алюміній стає надпровідним, і ця властивість передається сусідньому германієвому напівпровіднику. Це також дозволяє контролювати його за допомогою електричних полів.

Ці характеристики роблять його особливо корисним для складних застосунків у квантовій технології. Зокрема, його можна використовувати для обробки квантових бітів. Цій підход не вимагає розробки цілком нових технологій виготовлення, оскільки існуючі технології виготовлення напівпровідників можна використовувати для реалізації германієвих квантових електронних пристроїв.

Доктор Масіар Сістані з Інституту твердотільної електроніки Віденського технічного університету.

“Германій – це матеріал, який безумовно зіграє важливу роль у напівпровідниковій технології для розробки швидших і більш енергоефективних компонентів”, – говорить доктор Сістані.

Інтерфейс між двома матеріалами. (Зображення: TU Wien)

Вирішення проблем

Значні проблеми виникають, якщо його використовувати для виробництва компонентів у масштабі нанометрів. Зокрема, матеріал робить складним виробництво високоякісних електричних контактів через великий вплив малих домішок у точках контакту, які можуть суттєво змінити електричні властивості.

“Ми поставили собі завдання розробити новий метод виробництва, який дозволяє надійні та повторювані контактні властивості”, – говорить доктор Сістані.

Ключем до цього підходу є температура. Коли нанометрово-структурований германій і алюміній вступають у контакт і нагріваються, атоми обох матеріалів починають дифундувати в інший матеріал. Однак це відбувається в різній мірі.

Атоми германію швидко рухаються в алюміній, тоді як останній майже не дифундував.

“Отже, якщо ви підключите два алюмінієві контакти до тонкої германієвої нанодроти та нагрієте до 350 градусів Цельсія, атоми германію дифундують з краю нанодроти. Це створює порожні простори, у які алюміній може легко проникнути”, – говорить доктор Сістані. “В результаті лише кілька нанометрів площі в центрі нанодроти складаються з германію, а решта заповнюється алюмінієм”.

Новий метод виробництва утворює один ідеальний кристал, в якому атоми алюмінію розташовані у однорідній структурі. Це відрізняється від нормального алюмінію, який складається з дрібних кристалічних зерен. Це дозволяє здійснити атомно-різкий перехід між германій та алюмінієм.

“Не тільки ми змогли продемонструвати надпровідність у чистому, недопованому германії вперше, але також змогли показати, що ця структура може бути перемикана між досить різними робочими станами за допомогою електричних полів. Такий германієвий квантовий точковий пристрій може бути не тільки надпровідним, але також повністю ізольованим, або він може поводитися як Джозефсонівський транзистор, важливий базовий елемент квантових електронних схем”, – говорить доктор Сістані.

Крім теоретичних застосунків, ці нові структури можуть мати великий вплив на майбутні квантові пристрої.