Nová elektronická součástka z TU Wien (Vídeňská technická univerzita) by mohla být důležitým prvkem budoucí kvantové informatiky. Pomocí speciálního výrobního procesu výzkumníci dokázali propojit čisté germanium s hliníkem tak, že vznikla rozhraní s přesností na úrovni atomů. Výsledkem je tzv. monolitická heterostruktura typu kov-polovodič-kov.
Příslušná struktura má jedinečné efekty, které se projevují zejména při nízkých teplotách. Hliník se stává supravodivým a tato jeho vlastnost se přenáší i na sousední polovodič a lze ji dále řídit vnějšími elektrickými poli. Díky tomu se nová součástka má výborně hodit pro komplexní aplikace v kvantových technologiích, například pro zpracování qubitů (kvantových bitů). Pro kvantovou elektroniku založenou na germaniu by v základu šlo použít již existující dobře zavedené techniky výroby polovodičů.
Problémem germania ovšem spočívá v tom, že v měřítku nanometrů jeho elektrické vlastnosti velmi ovlivňují i stopové nečistoty. Nově vyvinutý postup využívá toho, že když se nanometrově strukturované germanium a hliník dostanou do kontaktu a zahřejí se asi na 350 °C, atomy začnou difundovat do sousedního materiálu – ale ve velmi rozdílné míře: atomy germania se rychle přesouvají do hliníku, zatímco hliník do germania nedifunduje téměř vůbec. „Pokud tedy připojíte dva hliníkové kontakty k tenkému nanodrátku germania, atomy germania difundují z okraje nanodrátku. Vzniknou tak prázdné prostory, do kterých pak hliník snadno pronikne. Nakonec tvoří germanium jen několik nanometrů uprostřed nanodrátku, zbytek vyplnil hliník,“ uvádí spoluautor studie Masiar Sistani z z TU Wien.
Za normálních okolností se hliník skládá z drobných krystalických zrn, ale tato nová výrobní metoda vytváří dokonalý monokrystal, v němž jsou atomy hliníku uspořádány v jednotném vzoru. Pomocí transmisní elektronové mikroskopie vědci ověřili, že skutečně vznikne čistý a atomárně ostrý přechod mezi germaniem a hliníkem, kde není žádná neuspořádaná oblast. Na rozdíl od běžných postupů, jimiž se na polovodič umisťují elektrické kontakty, například odpařováním kovu, se na hraniční vrstvě v tomto případě netvoří ani žádné oxidy.
„Nejenže se nám poprvé podařilo prokázat supravodivost v čistém, nedopovaném germaniu, ale také jsme byli schopni demonstrovat, že tuto strukturu lze pomocí elektrického pole přepínat mezi zcela odlišnými stavy. Zařízení s germaniovou kvantovou tečkou může být nejen supravodivé, ale také fungovat jako prakticky dokonalý izolant, nebo se může chovat jako Josephsonův tranzistor, důležitý základní prvek kvantových elektronických obvodů,“ dodává M. Sistani. Struktura má mít i další fyzikální vlastnosti potřebné pro kvantové technologie, jako je vysoká pohyblivost nosičů náboje a vynikající manipulovatelnost pomocí elektrických polí.
Jovian Delaforce et al, Al–Ge–Al Nanowire Heterostructure: From Single‐Hole Quantum Dot to Josephson Effect, Advanced Materials (2021). DOI: 10.1002/adma.202101989
Zdroj: Vienna University of Technology / Phys.org