Новая наноструктура может стать ключом к квантовой электронике

Новый электронный компонент от TU Wien (Вена) может стать важным ключом к эре квантовых информационных технологий: с помощью специального производственного процесса чистый германий связывается с алюминием таким образом, что создаются атомарно четкие интерфейсы. Это приводит к так называемой монолитной гетероструктуре металл-полупроводник-металл.

Эта структура демонстрирует уникальные эффекты, которые особенно заметны при низких температурах. Алюминий становится сверхпроводящим. Это свойство также передается соседнему германиевому полупроводнику, и им можно специально управлять с помощью электрических полей. Это делает его превосходно подходящим для сложных приложений в квантовой технологии, таких как обработка квантовых битов. Особое преимущество состоит в том, что при таком подходе нет необходимости разрабатывать совершенно новые технологии производства. Вместо этого для создания квантовой электроники на основе германия можно использовать хорошо зарекомендовавшие себя технологии изготовления полупроводников. Результаты опубликованы в журнале Advanced Materials.

Ключевым моментом является температура: когда германий и алюминий нанометровой структуры контактируют и нагреваются, атомы обоих материалов начинают диффундировать в соседний материал, но в очень разной степени: атомы германия быстро перемещаются в алюминий, тогда как алюминий практически не диффундирует в германий. «Таким образом, если вы подключите два алюминиевых контакта к тонкой германиевой нанопроволоке и поднимите температуру до 350 градусов по Цельсию, атомы германия диффундируют за край нанопроволоки. Это создает пустые пространства, в которые алюминий может легко проникнуть, - объясняет Масиар. Систани. - В конце концов, только область в несколько нанометров в середине нанопроволоки состоит из германия, остальная часть заполнена алюминием».

Обычно алюминий состоит из крошечных кристаллических зерен, но этот новый метод изготовления формирует идеальный монокристалл, в котором атомы алюминия расположены в однородном узоре. Как можно увидеть под просвечивающим электронным микроскопом, между германием и алюминием образуется идеально чистый и атомарно резкий переход без неупорядоченной области между ними. В отличие от традиционных методов, в которых электрические контакты прикладываются к полупроводнику, например, путем испарения металла, в пограничном слое не могут образовываться оксиды.

Оказалось, что новая структура действительно обладает весьма замечательными свойствами: «Мы не только впервые смогли продемонстрировать сверхпроводимость в чистом нелегированном германии, мы также смогли показать, что эта структура может переключаться между совершенно разными рабочими состояниями с помощью электрического поля. Такое устройство с германиевыми квантовыми точками может быть не только сверхпроводящим, но и полностью изолирующим, или оно может вести себя как джозефсоновский транзистор, важный базовый элемент квантовых электронных схем», - объясняет Масиар Систани.

Эта новая гетероструктура сочетает в себе целый ряд преимуществ: структура обладает превосходными физическими свойствами, необходимыми для квантовых технологий, такими как высокая подвижность носителей и отличная управляемость электрическими полями, а также имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что она хорошо сочетается с уже устоявшимися технологиями микроэлектроники: германий является уже используемым в современных архитектурах микросхем, а температуры, необходимые для формирования гетероструктуры, совместимы с хорошо зарекомендовавшими себя схемами обработки полупроводников. Новые структуры не только обладают интересными с теоретической точки зрения квантовыми свойствами, но также открывают технологически очень реалистичную возможность создания новых и энергосберегающих устройств.

Масиар Систани в чистой комнате