Struktur nano baru mungkin menjadi kunci elektronik kuantum

Sebuah elemen elektronik baru dari TU Wien (Wina) bisa menjadi kunci penting untuk era teknologi informasi kuantum: menggunakan proses manufaktur khusus, germanium murni terikat pada aluminium sedemikian rupa sehingga antarmuka atom yang tajam dibuat. Ini menghasilkan apa yang disebut struktur semikonduktor logam homogen.

Struktur ini menunjukkan efek unik yang sangat menonjol pada suhu rendah. Aluminium menjadi superkonduktor – tetapi tidak hanya itu, sifat ini juga ditransfer ke semikonduktor germanium yang berdekatan dan dapat dikontrol secara khusus oleh medan listrik. Ini membuatnya sangat cocok untuk aplikasi kompleks dalam teknologi kuantum, seperti manipulasi qubit kuantum. Keuntungan khusus adalah bahwa dengan menggunakan pendekatan ini, tidak perlu mengembangkan teknologi yang sama sekali baru. Atau, teknik fabrikasi semikonduktor yang matang dan mapan dapat digunakan untuk mengaktifkan elektronik kuantum berbasis germanium. Hasilnya sekarang telah dipublikasikan di jurnal bahan canggih.

Germanium: Kontak berkualitas tinggi sulit untuk dibentuk

“Germanium adalah bahan yang diketahui memainkan peran penting dalam teknologi semikonduktor untuk mengembangkan komponen yang lebih cepat dan lebih hemat energi,” kata Dr. Masiar Sistani dari Institute of Solid State Electronics di TU Wien. “Namun, jika seseorang bermaksud menggunakannya untuk memproduksi komponen pada skala nanometer, Anda memiliki masalah besar: sangat sulit untuk menghasilkan kontak listrik berkualitas tinggi, karena bahkan kotoran terkecil pada titik kontak dapat berdampak signifikan pada NS sifat listrik. Oleh karena itu, kami menetapkan tugas untuk mengembangkan metode fabrikasi baru yang memungkinkan sifat komunikasi yang andal dan dapat diulang.”

atom bergerak

Kuncinya adalah suhu: ketika germanium dan aluminium berstruktur nano bersentuhan dan memanas, atom dari kedua bahan mulai berdifusi ke zat yang berdekatan — tetapi dengan rentang yang sangat berbeda: atom germanium bergerak cepat di dalam aluminium, sedangkan aluminium hampir tidak berdifusi ke dalam germanium sama sekali. “Oleh karena itu, jika Anda menghubungkan dua kontak aluminium ke kawat nano germanium tipis dan menaikkan suhu hingga 350 °C, atom germanium berdifusi menjauh dari tepi kawat nano. Ini menciptakan ruang kosong yang dapat dengan mudah ditembus oleh aluminium,” jelas Massa. Sistan. “Pada akhirnya, beberapa nanometer di tengah kawat nano terbuat dari germanium, dan sisanya diisi dengan aluminium.”

Biasanya, aluminium terdiri dari butiran kristal kecil, tetapi metode pembuatan baru ini membentuk kristal tunggal yang sempurna di mana atom aluminium tersusun dalam pola yang seragam. Bisa juga dilihat di bawah ini mikroskop elektron transmisi, transisi yang sangat bersih dan tajam atom terbentuk antara germanium dan aluminium, tanpa daerah yang tidak teratur di antaranya. Berbeda dengan metode konvensional di mana kontak listrik diterapkan pada semikonduktor, misalnya dengan penguapan logam, tidak ada oksida yang dapat terbentuk pada lapisan batas.

Pemeriksaan kelayakan di Grenoble

Untuk melihat lebih dekat sifat-sifat struktur heterogen metalik monolitik germanium dan aluminium, Massyar Al-Sistani berkolaborasi dengan kelompok rekayasa kuantum Profesor Olivier Buisson di Universitas Grenoble. Ternyata struktur baru sudah memiliki sifat yang luar biasa: “Kami tidak hanya dapat menunjukkan superkonduktivitas dalam germanium murni yang tidak dilapisi untuk pertama kalinya, tetapi kami juga dapat menunjukkan bahwa struktur ini dapat dialihkan antara keadaan operasi yang sama sekali berbeda menggunakan medan listrik,” kata Dr. Misyar Al-Sistani. . “seperti itu Germanium Tidak hanya perangkat kuantum dot dapat menjadi perangkat superkonduktor, ia juga dapat sepenuhnya mengisolasi, atau dapat bertindak seperti transistor Josephson, komponen dasar penting dalam sirkuit elektronik kuantum. “

Struktur heterogen baru ini menggabungkan seluruh keunggulan: struktur memiliki sifat fisik yang sangat baik yang diperlukan untuk teknologi kuantum, seperti mobilitas pembawa yang tinggi dan kemampuan yang sangat baik untuk memanipulasi medan listrik, dan memiliki keuntungan tambahan dari kompatibilitas yang baik dengan teknologi mikroelektronika yang sudah ada: germanium sudah digunakan Arsitektur chip saat ini dan suhu yang dibutuhkan untuk membentuk struktur heterogen kompatibel dengan skema pemrosesan semikonduktor yang matang. “Kami telah mengembangkan struktur yang tidak hanya memiliki sifat kuantum yang menarik dalam teori, tetapi juga membuka kemungkinan teknologi yang sangat realistis untuk memungkinkan lebih banyak perangkat baru dan hemat energi,” kata Dr. Misyar Al-Sistani.