Ny nanostruktur kan være nøglen til kvanteelektronik

En ny elektronisk komponent fra TU Wien (Wien) kunne være en vigtig nøgle til kvanteinformationsteknologiens æra:Ved hjælp af en særlig fremstillingsproces, ren germanium er bundet med aluminium på en måde, så der skabes atomisk skarpe grænseflader. Dette resulterer i en såkaldt monolitisk metal-halvleder-metal heterostruktur.

Denne struktur viser unikke effekter, der er særligt tydelige ved lave temperaturer. Aluminiumet bliver superledende - men ikke kun det, denne egenskab overføres også til den tilstødende germanium-halvleder og kan specifikt styres med elektriske felter. Dette gør den særdeles velegnet til komplekse applikationer inden for kvanteteknologi, såsom behandling af kvantebits. En særlig fordel er, at ved at bruge denne tilgang, det er ikke nødvendigt at udvikle helt nye teknologier. I stedet, modne og veletablerede halvlederfremstillingsteknikker kan bruges til at muliggøre germanium-baseret kvanteelektronik. Resultaterne er nu offentliggjort i tidsskriftet Avancerede materialer .

Germanium:svært at danne kontakter af høj kvalitet

"Germanium er et materiale, der er anerkendt for at spille en vigtig rolle i halvlederteknologi til udvikling af hurtigere og mere energieffektive komponenter, " siger Dr. Masiar Sistani fra Institute for Solid State Electronics ved TU Wien. "Men, hvis man har til hensigt at bruge det til at producere komponenter på en nanometerskala, du støder på et stort problem:det er ekstremt svært at producere elektriske kontakter af høj kvalitet, fordi selv de mindste urenheder ved kontaktpunkterne kan have stor indflydelse på de elektriske egenskaber. Vi har derfor sat os til opgave at udvikle en ny fremstillingsmetode, der muliggør pålidelige og reproducerbare kontaktegenskaber."

Omrejsende atomer

Nøglen til dette er temperatur:når nanometerstruktureret germanium og aluminium bringes i kontakt og opvarmes, atomerne i begge materialer begynder at diffundere ind i nabomaterialet - men i meget forskellig grad:germanium-atomerne bevæger sig hurtigt ind i aluminiumet, hvorimod aluminium næsten ikke diffunderer ind i germanium overhovedet. "Dermed, hvis du forbinder to aluminiumskontakter til en tynd germanium nanotråd og hæver temperaturen til 350 grader Celsius, germanium-atomerne diffunderer ud fra kanten af ​​nanotråden. Dette skaber tomme rum, som aluminium let kan trænge ind i, " forklarer Masiar Sistani. "I sidste ende, kun et par nanometer område i midten af ​​nanotråden består af germanium, resten er blevet fyldt op af aluminium."

Normalt, aluminium lavet af små krystalkorn, men denne nye fremstillingsmetode danner en perfekt enkelt krystal, hvor aluminiumsatomerne er arrangeret i et ensartet mønster. Som det kan ses under transmissionselektronmikroskopet, der dannes en helt ren og atomisk skarp overgang mellem germanium og aluminium, uden forstyrret område imellem. I modsætning til konventionelle metoder, hvor elektriske kontakter påføres en halvleder, for eksempel ved at fordampe et metal, der kan ikke dannes oxider ved grænselaget.

Gennemførlighedstjek i Grenoble

For at se nærmere på egenskaberne af denne monolitiske metal-halvleder-heterostruktur af germanium og aluminium, Masiar Sistani samarbejdede med prof. Olivier Buissons kvanteingeniørgruppe ved universitetet i Grenoble. Det viste sig, at den nye struktur har ganske bemærkelsesværdige egenskaber:"Ikke kun var vi i stand til at demonstrere superledning i ren, udopet germanium for første gang, vi var også i stand til at vise, at denne struktur kan skiftes mellem ganske forskellige driftstilstande ved hjælp af elektriske felter, " rapporterer Dr. Masiar Sistani. "Sådan en germanium quantum dot enhed kan ikke kun være superledende, men også fuldstændig isolerende, eller den kan opføre sig som en Josephson-transistor, et vigtigt grundlæggende element i kvanteelektroniske kredsløb."

Denne nye heterostruktur kombinerer en lang række fordele:Strukturen har fremragende fysiske egenskaber, der er nødvendige for kvanteteknologier, såsom høj transportørmobilitet og fremragende manipulerbarhed med elektriske felter, og det har den yderligere fordel, at det passer godt med allerede etablerede mikroelektronikteknologier:Germanium bruges allerede i nuværende chiparkitekturer, og de temperaturer, der kræves til heterostrukturdannelse, er kompatible med modne halvlederbehandlingssystemer. "Vi har udviklet en struktur, der ikke kun har teoretisk interessante kvanteegenskaber, men åbner også op for en teknologisk meget realistisk mulighed for at muliggøre yderligere nye og energibesparende enheder, " siger Dr. Masiar Sistani.