الدوائر المتكاملة الكم (QICs) تتكون من مجموعة من تقاطعات جوزفسون الأخمصية والبالستية (JJs) على أساس في0.75Ga0.25كما يتم عرض غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد (2DEG). وتناقش طريقتان مختلفتان لتصنيع الـ JJs ثنائي الأبعاد (ثنائي الأبعاد) وشركة QICs تليها عرض قياسات نقل الكم في درجات حرارة كيلفين الفرعية.
لتشكيل نقل كم متماسك في تقاطعات الهجين superconductor أشباه الموصلات (S-SM)، وتشكيل واجهة متجانسة وخالية من الحواجز بين اثنين من المواد المختلفة من الضروري. ثم يؤدي تقاطع S-Sm مع شفافية واجهة عالية إلى تسهيل مراقبة الفجوة الناتجة عن التوصيل الفائق الثابت، والتي هي الشرط الرئيسي للوصول إلى المراحل الطوبوغرافية (TPs) ومراقبة شبه الجسيمات الغريبة مثل Majorana zero أوضاع (MZM) في الأنظمة الهجينة. وبالتالي فإن المنصة المادية التي يمكن أن تدعم مراقبة النقاط التقنية وتسمح بتحقيق الجيومتريات المعقدة ومتفرعة تتطلب بشدة معالجة الكم والحوسبة العلمية والتكنولوجيا. هنا، نقدم نظام المواد ثنائية الأبعاد ودراسة التوصيل الفائق الناجم عن القرب في شبه الموصلة غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد (2DEG) الذي هو أساس الدائرة المتكاملة الكم الهجين (QIC). و2DEG هو 30 نانومتر سميكة في0.75Ga0.25كما الكم جيدا التي دفنت بين اثنين في0.75Al0.25كحواجز في هيكل غير متجانس. يتم استخدام أفلام النيوبيوم (Nb) كأقطاب فائقة التوصيل لتشكيل Nb- في0.75Ga0.25كما -Nb Josephson تقاطعات (JJs) التي هي متناظرة، الأخمصية والبالستية. واستُخدم نهجان مختلفان لتشكيل الـ JJs وQICs. كانت التقاطعات الطويلة ملفقة من الناحية الضوئية، ولكن تم استخدام الطباعة الحجرية بشعاع إلكتروني لتصنيع التقاطعات القصيرة. وتناقش قياسات نقل الكم المتماسكة كدالة لدرجة الحرارة في وجود/عدم وجود المجال المغناطيسي باء. في كلا النهجين تصنيع الجهاز، لوحظ القرب الناجم عن خصائص التوصيل الفائق في In0.75Ga0.25كما 2DEG. وقد وجد أن الشعاع الإلكتروني الشعاع الحجري المنقوش JJs من أطوال أقصر يؤدي إلى رصد الفجوة الناتجة عن التوصيل الفائق في نطاقات درجة حرارة أعلى بكثير. النتائج التي هي قابلة للاستنساخ ونظيفة تشير إلى أن الهجين 2D JJs وQICs على أساس في0.75Ga0.25كما الآبار الكم يمكن أن تكون منصة المواد الواعدة لتحقيق الكم الإلكتروني والضوئي الحقيقي معقدة وقابلة للتطوير الدوائر والأجهزة.
يتم تشكيل تقاطع جوزيفسون (JJ) عن طريق وضع طبقة رقيقة من مادة غير فائقة التوصيل (عادي) بين اثنين من الموصلات الفائقة1. يمكن بناء مختلف الدوائر الإلكترونية الكم والضوئي ة والأجهزة على أساس JJs2،3،4،5،6،7،8، 9,10,11,12,13,14,15,16. من بينها، وJJs مع أشباه الموصلات كجزء غير superconducting (عادي)، أو superconductor أشباه الموصلات فائقة موصل (S-SM-S) JJs، وقد تلقى الكثير من الاهتمام في السنوات الأخيرة بعد الكشف المزعوم للجسيمات ماجورانا الغريبة مع صفر الشحنات الكهربائية في واجهة موصل فائق وشبه موصل أحادي الأبعاد (1D) nanowire17،18،19،20،21، 22.وتقتصر الأجهزة الهجينة المستندة إلى Nanowire على هندسة 1D من nanowire وتصنيع Y و / أو T-هياكل للخروج منها – وهو شرط ضروري لجديلة ماجورانا – هو التحدي22. ضبط غرامة من الإمكانات الكيميائية nanowire، للوصول إلى المراحل الطوبولوجية، يتطلب JJs مع العديد من البوابات كهرباء مما يسبب الكثير من القضايا في تصنيع الجهاز معقدة من الأسلاك النانوية. للتغلب على قضايا قابلية التوسع من الأسلاك 1D، ثنائي الأبعاد (2D) منصات المواد مرغوب فيها للغاية19،22.
من بين المواد 2D، وثنائي الأبعاد الغاز الإلكترون (2DEG) منصة -أشكال عندما تقتصر الإلكترونات على واجهة بين اثنين من المواد المختلفة في هيكل غير متجانس أشباه الموصلات- هو المرشح الأكثر واعدة22. الجمع بين 2DEG مع الموصلات الفائقة وتشكيل الهجين 2D JJs يفتح طريقا جديدا نحو تطوير الجيل القادم من أنظمة الكم قابلة للتحجيم مثل معالجة الكم الطوبولوجي والحوسبة. ويمكن أن تدعم مرحلة نقل الكم المتماسك، والتوصيل الفائق الناجم عن القرب مع احتمال انتقال عالية، والتي هي شرط أساسي لمراقبة المرحلة الطوبولوجية. في هذا الصدد، ونحن نعرض QIC على رقاقة التي تتكون من مجموعة من JJs 2D الباليستية التي يمكن السيطرة عليها من قبل 20 الأسلاك. يتلقّى كلّ ملتقى اثنان [نب] قطب كالجزء فائقة التوصيل وفي0.75[غ]0.25ككمّ بئر في [سميشند] [هتيووبينت] كالجزء عاديّة. ويمكن بسهولة منقوشة الرقاقة لتشكيل هياكل معقدة وQICs متصلة بالشبكة.
مزايا في0.75Ga0.25كما 2DEG تشمل: ‘1’ كبيرة نسبيا ز-عامل, ‘2’ قوية رشبا تدور مدار اقتران, ‘3’ كتلة الإلكترون الفعالة منخفضة, و ‘4’ أن تكوين الإنديوم يمكن ضبطها مما يسمح تشكيل من JJs مع شفافية واجهة عالية23،24،25. ويمكن زراعة رقاقة كقرص يصل إلى 10 سم ديمتر، مما يسمح تصنيع الآلاف من JJs الهجين 2D وشبكات QICs معقدة حتى التغلب على تحديات قابلية التوسع من هذه الأجهزة الكم.
نناقش نهجين مختلفين لتصنيع الأجهزة: بالنسبة للجهاز 1، الدائرة التي تشمل ثمانية JJs متطابقة ومتناظرة من طول 850 نانومتر وعرض 4 ميكرومتر هي منقوشة من قبل التصوير الضوئي23،24. الجهاز 2 يتضمن ثمانية تقاطعات مع أطوال مختلفة. لديهم جميعا نفس العرض من 3 ميكرومتر. ومنقوشة JJs من قبل الطباعة الحجرية الإلكترونية بام25. وستقدم قياسات النقل في نطاقات درجة الحرارة دون كيلفين في غياب/وجود المجال المغناطيسي. وQICs على رقاقة يتكون من مجموعة من 2D Nb- في0.75Ga0.25كما -Nb JJs. يتم قياس التقاطعات الطويلة والقصيرة في ثلاجة تخفيف مع درجة حرارة قاعدة من 40 MK والسائل 3انه تبريد cryostat مع درجة حرارة قاعدة من 300 MK، على التوالي. الأجهزة منحازة مع إشارة ACمن 5 μV في 70 هرتز الذي يتم فرضه على التحيز تقاطع العاصمة الجهد. يتم استخدام تقنية قفل القياسية اثنين من المحطة الطرفية لقياس إخراج الجهاز AC-الحالي23،24،25.
على رقاقة QICs تتألف من مجموعة من JJs على أساس superconducting الإنديوم الغاليوم arsenide (في0.75Ga0.25كما) تم عرض آبار الكم. وعولج تحديان هامان للنظم المادية الهجينة S-Sm مثل قابلية التوسع وشفافية الوصلات البينية. خطوتان حاسمتان للأنين البروتوكول بما في ذلك نمو جودة عالية وحركة عالية في0.75Ga0.25كما غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد في الهياكل غير المتجانسة شبه الموصلة والقرب الناجم عن الموصلية الفائقة في 2DEG كانت ناقش23،24،25.
نمو في0.75Ga0.25كما هو الحال مع طبقات العازلة خطوة متدرجة في الركيزة GaAs وأيضا تشكيل واجهات متجانسة وخالية من الحواجز بين موصل فائقة وأشباه الموصلات هو خطوة حاسمة في مثل هذه الدائرة الكم الهجين 2D التنميه. وقد ثبت أنه مع النقش الدقيق يمكن للفيلم فائقة التوصيل تلعثم إجراء اتصالات شفافة للغاية إلى في0.75Ga0.25كما الآبار الكم مما أدى إلى الكشف عن الفجوة الناتجة عن التوصيل الفائق في أشباه الموصلات23 , 24 , 25.
الأهمية فيما يتعلق بالأساليب القائمة هي أن التقنية المقدمة لـ JJs الهجين 2D وتحقيق الدائرة لا يتطلب الترسيب في الموقع من موصل فائق على أشباه الموصلات في غرفة MBE بعد نمو أشباه الموصلات قد تم 23،24،25. والأهمية الأخرى هي أن رقاقة هيكل ية متغايرة يمكن زراعتها كمكتب يصل قطرها إلى 10 سم، مما يسمح بتصنيع الآلاف من التقاطعات والدوائر الهجينة 2D، لذلك التغلب على تحديات قابلية التوسع من الدوائر الكم S-SM الهجين والأجهزة 22 , 23 , 24 , 25.
الموصلية الفائقة المستحثة في آبار الكم، SGS على التوصيل التفاضلي للتقاطعات 2D، ومرحلة نقل الكم الباليستية متماسكة تقاس في تقاطعات لدينا تشير بقوة إلى أن الهجين 2D تقاطعات والدوائر على أساس superconducting في 0.75 Ga0.25كما 2DEG تحمل نظام المواد الواعدة لمعالجة الكم قابلة للتطوير وتكنولوجيات الحوسبة. نهجنا قد يفتح طريقا جديدا نحو تكنولوجيا الكم ويساعد على تمهيد الطريق لتطوير على رقاقة الدوائر الكم الطوبولوجي لتحقيق الجيل القادم من معالجات الكم23،24،25.
The authors have nothing to disclose.
ويعترف المؤلفون بالدعم المالي المقدم من المركز، ويمنح شركة MQIC.
CompactDAQ Chassis | National Instruments | NI cDAC-9178 | |
DSP Lock-in Amplifier | AMETEK 7265 | 190284-A-MNL-C | |
Dilution refrigerator | Blueforce | Buttom loaded fridge | |
Dilution refrigerator | Oxford | KelvinoxMX40 | Wet-fridge |
Diamond scriber MICROTEC | Karl Suss | HR 100 | |
Dektak Surface Profilometer | Veeco | 3ST | |
Evaporator | Edwards | AUTO 306 | |
Evaporator | Edwards | Coating system E306A | |
3He Cryostat | Oxford | ||
Photoresist Spinner | Headway Research Inc. | EC101DT-R790 | |
Matlab | |||
Mask Aligner | Karl Suss | MJB 3 | |
Source meter | Keithley | 2614B | |
Semiconducting heterostructure | MBE Veeco | Gen III system | MBE Grown wafers |
Wire Bonder | K&S | 4524 |