Germaniumia kvanttielektroniikkaan

TU Wienin tutkijoiden kehittämä uusi elektroninen komponentti voi olla tärkeä avain kvanttitietotekniikan aikakaudelle: Erityistä valmistusprosessia käyttämällä puhdas germanium sidotaan alumiiniin tavalla, joka luo atomisesti teräviä rajapintoja. Tämä johtaa monoliittiseen metalli-puolijohde-metalli -heterostruktuuriin.

Uusi rakenne osoittaa vaikutuksia, jotka ovat erityisen ilmeisiä matalissa lämpötiloissa. Alumiinista tulee suprajohtavaa mutta ominaisuus siirtyy myös viereiseen germaniumpuolijohteeseen ja sitä voidaan sitten ohjata sähköisillä kentillä.

Tämä tekee siitä erityisen sopivan kvanttitekniikan monimutkaisiin sovelluksiin, kuten kvanttibittien käsittelyyn. Erityinen etu on, että voidaan käyttää vakiintuneita puolijohdetekniikoita germaniumpohjaisen kvanttielektroniikan mahdollistamiseksi.

Tohtori Masiar Sistani TU Wienin toteaa, että "Jos aiotaan käyttää germaniumia nanometristen komponenttien valmistamiseen, törmäät pahaan ongelmaan: korkealaatuisten sähkökontaktien tuottaminen on erittäin vaikeaa, koska pienimmilläkin epäpuhtauksilla voi olla suuri vaikutus sähköisiin ominaisuuksiin. Siksi olemme asettaneet tehtäväksemme kehittää uuden valmistusmenetelmän, joka mahdollistaa luotettavat ja toistettavat kontaktiominaisuudet."

Avain tähän on lämpötila: kun nanometrirakenteinen germanium ja alumiini saatetaan kosketuksiin ja kuumennetaan, molempien materiaalien atomit alkavat diffusoitua viereiseen materiaaliin - mutta hyvin eri määrin: germaniumatomit siirtyvät nopeasti alumiiniin, kun taas alumiini tuskin leviää germaniumiin ollenkaan." selittää Sistani. "Lopulta vain muutama nanometrin alue nanojohdon keskellä koostuu germaniumista, muu osa on alumiinia."

Uuden rakenteen ominaisuuksia lähemmin tarkasteltaessa kävi ilmi, että sillä on todellakin huomattavia ominaisuuksia: "Emme vain ensimmäistä kertaa kyenneet osoittamaan suprajohtavuutta puhtaassa, seostamattomassa germaniumissa, vaan pystyimme myös osoittamaan, että tätä rakennetta voidaan vaihtaa melko erilaisten käyttötilojen välillä sähkökentillä ohjaten", iloitsee tohtori Masiar Sistani.

"Tällainen germanium kvanttipisterakenne voi olla paitsi suprajohtava, mutta myös täysin eristävä tai se voi toimia kuten Josephson-transistori, joka on kvanttielektroniikkapiirien tärkeä peruselementti."

Australialaisen UNSW yliopiston tutkijat ovat puolestaan etsineen optimaaliset toimintapisteet erittäin nopeille ja yhtenäisille aukkoon perustuville spin-kiertorata kubitille Germaniumissa.

Vahvat spin-kiertorata-vuorovaikutukset tekevät elektroniaukon kvanttipisteistä keskeisen pyrkimyksen sähköiseen spin qubit -käsittelyyn, mikä mahdollistaa nopean, pienitehoisen, skaalautuvan kvanttilaskennan.

Tutkijoiden mukaan optimaalisten toimintapisteiden olemassaolo johtuu ryhmän IV kidesymmetriasta ja spin-3/2-järjestelmille ainutlaatuisen Rashba-spin-kiertorata-vuorovaikutuksen ominaisuuksista.

Tutkijoiden mukaan tulokset kumoavat perinteisen viisauden, jonka mukaan nopea toiminta merkitsee lyhyenpää käyttöaikaa ja he ehdottavat ryhmän IV aukon spin-kubitteja ihanteellisiksi alustoiksi erittäin nopeille ja yhtenäisille skaalautuville kvanttilaskennalle. Aiheesta aiemmin:

Kubitteja ohjaten

Kvanttipiste mittaa ja kaappaa