Новая наноструктура — ключ к эре квантовой электроники

В новом эксперименте исследователи из Венского технического университета (TU Wien) подключили к германиевой нанопроволоке два алюминиевых контакта и нагрели до 350 ⁰С. При этой температуре в структуре началась диффузия атомов металлов. Но она происходила неравномерно: атомы германия быстро перемещались в алюминий, в то время как алюминий слабо диффундировал в германий.

При этом атомы германия сместились от края нанопроволоки, и там образовалось свободное пространство, куда смог легко проникнуть алюминий. В середине проволоки осталось несколько нанометров чистого германия, а остальной промежуток оказался заполнен алюминием.

В обычном состоянии алюминий состоит из кристаллических зерен, но при новом способе производства формируется монокристалл с однородным расположением атомов. И потому между элементами образуется абсолютно чистый атомарно резкий переход без области смешанных атомов.

Получившаяся монолитная гетероструктура металл-полупроводник-металл обнаруживает уникальные свойства при низких температурах. Сверхпроводимость алюминия передается полупроводнику из германия, которым можно очень точно управлять с помощью электрического тока. Это первый случай демонстрации сверхпроводимости в нелегированном германии, и он описан в статье в журнале Advanced Materials.

Кроме того наноструктура способна к переключению между противоположными рабочими состояниями: она может быть не только сверхпроводящей, но и полностью изолирующей.

По этим признакам структура напоминает транзистор Джозефсона — устройство, состоящее из двух и более сверхпроводников и слабого звена между ними. Это звено может быть изолятором, участком несверхпроводящего металла или физическим сужением, ослабляющим сверхпроводимость. В данном случае звеном является несверхпроводящий германий.

Германий уже применяется в производстве компонентов квантовых электронных микросхем, которые получаются быстрыми и энергоэффективными. Но сделать из него контакты высокого качества чрезвычайно трудно. Дело в том, что в нанометровом масштабе любые примеси в точках контакта значительно изменяют его электрические свойства.

Новый способ производства снимает эту проблему и обеспечивает сохранение свойств германиевых контактов. При этом температура, нужная для создания гетероструктуры применяется в уже имеющихся схемах обработки полупроводников на основе германия, так что нет необходимости кардинально менять технологические процессы.

Также новая гетероструктура имеет свойства, важные для квантовых технологий: высокую подвижность носителей и точную управляемость с помощью электрических полей. Ее создание открывает возможности производства энергосберегающих компонентов для квантовых компьютеров.