Разработана методика поатомного изготовления гибридных квантовых устройств

В недавней публикации в Nature Communications теоретики из университета Мэриленда предложили способ поатомного «снизу-вверх» создания сверхпроводящих квантовых устройств, таких как джозефсоновские туннельные переходы и кубиты, точно позиционированных внутри однородного кристалла кремния. Подобные системы смогут сочетать самые многообещающие аспекты кремниевых спиновых кубитов (устойчивость к внешним воздействиям и долгое время жизни) с универсальностью сверхпроводящих схем.

Сверхпроводящие провода и соединения, из которых изготовляются кубиты и сенсоры, предлагается создавать, вводя в точно определенные места внутри кристалла кремния легирующие добавки — атомы-акцепторы (например, бор или алюминий, элементы, склонные захватывать дополнительные электроны).

Для этого авторы рекомендуют использовать недавно изобретенный в университете Нового Южного Уэльса (Австралия) метод водородной STM-литографии. В нем сканирующий электронный микроскоп применяется для избирательного удаления атомов водорода на поверхности кристалла кремния или германия. Добавлением легирующего газа, такого как фосфин, осуществляется селективное размещение примесей в атомной решетке. При достаточной плотности атомов-акцепторов может образовываться сверхпроводящая область, которую затем заключают в кристаллический кремний.

До сих пор методом водородной литографии удавалось заместить вплоть до каждого четвертого атома кремния. В общем случае, чем выше плотность легирования, тем выше критическая температура сверхпроводника.

Авторы рассчитали свойства получаемых сверхпроводящих областей и показали, что таким способом возможно изготовление сверхпроводящих соединений с достаточно высокой критической температурой, а также джозефсоновских переходов и слабых соединений — фундаментальных нелинейных компонентов сверхпроводящих схем. Они также продемонстрировали реализуемость в такой кремниевой системе сверхпроводящих кубитов, прежде создававшихся в металлических образцах.