新型电子元件可能在量子电子技术中发挥关键作用

维也纳理工大学（TU Wien）的一种新型电子元件可能在量子信息技术的发展中发挥关键作用。通过定制的制造工艺，纯锗与铝结合，实现了原子级别的锐利接口的创建。

该研究的详细内容已发表在高级材料杂志上。

开发新方法

这种方法的结果是一个单晶金属-半导体-金属异质结构，在低温下表现出独特的效果。在这些低温下，铝变得超导，而这种性质被转移到相邻的锗半导体中。这也使其能够被电场特异性地控制。

这些特性使其特别适用于量子技术中的复杂应用。特别是，它可以用于处理量子比特。这种方法不需要开发完全新的制造技术，因为现有的半导体制造技术可以用于实现基于锗的量子电子学。

来自维也纳理工大学固体电子学研究所的玛西亚·西斯蒂尼博士说：

“锗是一种材料，它将在半导体技术中发挥重要作用，用于开发更快、更节能的组件，”西斯蒂尼博士说。

两种材料之间的接口。（图片来源：TU Wien）

解决挑战

当使用这种材料生产纳米级组件时，会出现重大问题。特别是，材料使得生产高质量的电接触变得困难，因为接触点的小杂质会显著改变电性质。

“因此，我们的任务是开发一种新的制造方法，以实现可靠和可重复的接触特性，”西斯蒂尼博士说。

这种方法的关键是温度。当纳米结构的锗和铝接触并加热时，两种材料的原子开始扩散到对方的材料中。但是，扩散的程度不同。

锗原子快速地移动到铝中，而铝几乎没有扩散。

“因此，如果你将两个铝接触点连接到一根薄的锗纳米线上并将温度提高到350摄氏度，锗原子就会从纳米线的边缘扩散出去。这会在纳米线中创建空隙，铝可以轻松地填充这些空隙，”西斯蒂尼博士说。“最终，纳米线中间只有几纳米的区域是由锗组成的，其他部分都被铝填充了。”

这种新制造方法形成了一个单晶体，在这个晶体中，铝原子以统一的模式排列。这与正常的铝不同，正常的铝由微小的晶粒组成。这使得锗和铝之间实现了原子级别的锐利过渡。

“我们不仅第一次在纯净、未掺杂的锗中展示了超导性，而且还展示了这种结构可以使用电场在不同的工作状态之间切换。这样的锗量子点设备不仅可以是超导的，还可以是完全绝缘的，或者它可以像约瑟夫森晶体管一样工作，约瑟夫森晶体管是量子电子电路中的一个重要基本元件，”西斯蒂尼博士说。

除了理论应用外，这些新结构还可能对未来量子设备产生重大影响。