Thành phần điện tử mới có thể đóng vai trò quan trọng trong điện tử lượng tử

Một thành phần điện tử mới từ TU Wien (Vienna) có thể đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của công nghệ thông tin lượng tử. Thông qua một quá trình sản xuất được thiết kế đặc biệt, germanium tinh khiết được liên kết với nhôm để cho phép tạo ra các giao diện sắc nét ở cấp độ nguyên tử.

Nghiên cứu chi tiết về quá trình mới này đã được công bố trên Advanced Materials.

Phát triển phương pháp mới

Kết quả của quá trình này là một cấu trúc kim loại-bán dẫn-kim loại đơn nhất, thể hiện các hiệu ứng độc đáo ở nhiệt độ thấp. Ở những nhiệt độ thấp này, nhôm trở nên siêu dẫn, và tính chất này được chuyển giao đến bán dẫn germanium liền kề. Điều này cũng cho phép nó được kiểm soát cụ thể bằng các trường điện.

Những đặc tính này làm cho nó đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng phức tạp trong công nghệ lượng tử. Đặc biệt, nó có thể được sử dụng để xử lý các bit lượng tử. Phương pháp này không yêu cầu sự phát triển của các công nghệ sản xuất hoàn toàn mới vì các kỹ thuật sản xuất bán dẫn hiện có có thể được sử dụng để cho phép điện tử lượng tử dựa trên germanium.

Tiến sĩ Masiar Sistani thuộc Viện Điện tử Rắn tại TU Wien.

“Germanium là một vật liệu chắc chắn sẽ đóng vai trò quan trọng trong công nghệ bán dẫn để phát triển các thành phần nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn,” theo Tiến sĩ Sistani.

Giao diện giữa hai vật liệu. (Hình ảnh: TU Wien)

Địa chỉ các thách thức

Các vấn đề lớn phát sinh nếu nó được sử dụng để sản xuất các thành phần trên quy mô nanomet. Đặc biệt, vật liệu này làm cho việc sản xuất các tiếp xúc điện chất lượng cao trở nên khó khăn do tác động lớn của các tạp chất nhỏ tại các điểm tiếp xúc, có thể thay đổi đáng kể các tính chất điện.

“Chúng tôi đã đặt ra cho mình nhiệm vụ phát triển một phương pháp sản xuất mới cho phép tạo ra các tính chất tiếp xúc đáng tin cậy và có thể lặp lại,” theo Tiến sĩ Sistani.

Chìa khóa của phương pháp này là nhiệt độ. Khi germanium và nhôm có cấu trúc nanomet được kết nối và làm nóng, các nguyên tử của cả hai vật liệu bắt đầu khuếch tán vào vật liệu kia. Tuy nhiên, điều này xảy ra với mức độ khác nhau.

Nguyên tử germanium di chuyển nhanh vào nhôm, trong khi nhôm hầu như không khuếch tán.

“Vì vậy, nếu bạn kết nối hai tiếp xúc nhôm với một dây nanowire germanium mỏng và tăng nhiệt độ lên 350 độ Celsius, các nguyên tử germanium sẽ khuếch tán ra khỏi cạnh của dây nanowire. Điều này tạo ra các không gian trống mà nhôm có thể dễ dàng thâm nhập,” theo Tiến sĩ Sistani. “Cuối cùng, chỉ có một khu vực nhỏ ở giữa dây nanowire là germanium, phần còn lại đã được lấp đầy bằng nhôm.”

Phương pháp sản xuất mới này tạo thành một tinh thể đơn nhất trong đó các nguyên tử nhôm được sắp xếp theo một mẫu thống nhất. Điều này khác với nhôm thông thường, bao gồm các hạt tinh thể nhỏ. Điều này cho phép một chuyển tiếp sắc nét ở cấp độ nguyên tử giữa germanium và nhôm.

“Không chỉ chúng tôi đã chứng minh được tính siêu dẫn trong germanium tinh khiết, không pha tạp chất lần đầu tiên, mà chúng tôi cũng đã chỉ ra rằng cấu trúc này có thể được chuyển đổi giữa các trạng thái hoạt động khác nhau bằng các trường điện. Một thiết bị lượng tử dot germanium như vậy không chỉ có thể siêu dẫn mà còn có thể cách điện hoàn toàn, hoặc nó có thể hoạt động như một transistor Josephson, một yếu tố cơ bản quan trọng của các mạch điện tử lượng tử,” theo Tiến sĩ Sistani.

Ngoài các ứng dụng lý thuyết, các cấu trúc mới này có thể có tác động lớn đến các thiết bị lượng tử trong tương lai.