I circuiti quantici integrati (QIC) costituiti da una serie di giunzioni planari e balistiche di Josephson (JJ) basate su In0.75Ga0.25Come gas elettronico bidimensionale (2DEG) è dimostrato. Due diversi metodi per la fabbricazione dei JJ bidimensionali (2D) e dei QIC sono discussi seguiti dalla dimostrazione delle misurazioni del trasporto quantistico a temperature sotto Kelvin.
Per formare un trasporto quantistico coerente nelle giunzioni ibride di superconduttori-semiconduttori (S-Sm), è necessaria la formazione di un’interfaccia omogenea e priva di barriere tra due materiali diversi. La giunzione S-Sm con elevata trasparenza dell’interfaccia faciliterà quindi l’osservazione del divario superconduttore duro indotto, che è il requisito fondamentale per accedere alle fasi topologiche (TP) e l’osservazione di quasiparticelle esotiche come Majorana zero (M-M) nei sistemi ibridi. Una piattaforma materiale in grado di supportare l’osservazione dei TP e permette la realizzazione di geometrie complesse e ramificate è quindi molto esigente nella scienza e nella tecnologia di elaborazione quantistica e calcolo. Qui, introduciamo un sistema di materiali bidimensionali e studiamo la superconduttività indotta dalla prossimità nel gas elettronico bidimensionale semiconduttore (2DEG) che è alla base di un circuito ibrido integrato quantistico (QIC). Il 2DEG è un 30 nm di spessore In0.75Ga0.25Come pozzo quantico che è sepolto tra due In0.75Al0.25Come barriere in un’eterostruttura. I film niobium (Nb) sono usati come elettrodi superconduttori per formare Nb- In0.75Ga0.25As -Nb Josephson junctions (JJ) che sono simmetrici, planari e balistici. Due diversi approcci sono stati utilizzati per formare i JJ e QIC. Le lunghe giunzioni sono state fabbricate fotolitograficamente, ma la litografia del fascio e-beam è stata utilizzata per la fabbricazione di brevi giunzioni. Vengono discusse le misurazioni coerenti del trasporto quantistico in funzione della temperatura in presenza/assenza del campo magnetico B. In entrambi gli approcci di fabbricazione del dispositivo, le proprietà superconduttrici indotte di prossimità sono state osservate in In0.75Ga0.25As 2DEG. Si è scoperto che i JJ litograficamente modellati con pattern e-pattern di lunghezze più brevi portano all’osservazione del divario superconduttore indotto a intervalli di temperatura molto più elevati. I risultati riproducibili e puliti suggeriscono che i JJ e i QIC ibridi 2D e QIC basati su In0.75Ga0.25Poiché i pozzi quantici potrebbero essere una piattaforma materiale promettente per realizzare il reale complesso e scalabile quantum elettronico e fotonico circuiti e dispositivi.
Una giunzione Josephson (JJ) si forma inserendo un sottile strato di un materiale non superconduttore (normale) tra due superconduttori1. Vari nuovi circuiti e dispositivi quantistici elettronici e fotonici possono essere costruiti sulla base di JJ2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14,15,16. Tra questi, i JJ con semiconduttori come parte non superconduttore (normale), o superconduttori-semiconduttori-superconduttori (S-Sm-S) JJ, hanno ricevuto molta attenzione negli ultimi anni dopo il presunto rilevamento di particelle esotiche di Majorana con zero cariche elettriche all’interfaccia di un superconduttore e di un nanofilo unidirezionale (1D) semiconduttore (1D)17,18,19,20,21, 22.I dispositivi ibridi basati su nanowire sono limitati alla geometria 1D del nanofilo e alla loro fabbricazione di strutture Y e/o T – un requisito necessario per la treccia di Majorana – è impegnativo22. La messa a punto del potenziale chimico del nanofilo, per l’accesso alle fasi topologiche, richiede JJ con diverse porte elettrostaticamente che causaun sacco di problemi nella fabbricazione complessa di dispositivi dai nanofili. Per superare i problemi di scalabilità dei cavi 1D, le piattaforme di materiali bidimensionali (2D) sono altamente desiderabili19,22.
Tra i materiali 2D, la piattaforma bidimensionale del gas elettronico (2DEG) -forma quando gli elettroni sono confinati a un’interfaccia tra due materiali diversi in un’eterostruttura a semiconduttore- è il candidato più promettente22. La combinazione di 2DEG con superconduttori e JJ 2D ibridi apre una nuova strada verso lo sviluppo di sistemi quantistici scalabili di prossima generazione come l’elaborazione quantistica topologica e l’informatica. Possono supportare il trasporto quantistico coerente in fase e la superconduttività indotta dalla prossimità con alta probabilità di trasmissione, che sono requisiti fondamentali per l’osservazione di fase topologica. A questo proposito, dimostriamo un QIC su un chip che consiste in una serie di JJ 2D balistici che possono essere controllati da 20 fili. Ogni giunzione ha due elettrodi Nb come parte superconduttrice e in0,75Ga0.25Come pozzi quantici in un’eterogiunzione semiconduttore come parte normale. Il wafer può essere facilmente modellato per formare strutture complesse e QIC collegati in rete.
I vantaggi di In0.75Ga0.25As 2DEG includono: (i) relativamente grande fattore g,(ii) forte accoppiamento spin-orbit rashba, (iii) la massa efficace dell’elettrone bassa, e (iv) che la composizione indium può essere sintonizzata permettendo la formazione di JJ con elevata trasparenza dell’interfaccia23,24,25. Il wafer può essere coltivato come un disco fino a 10 cm di metro, permettendo la fabbricazione di migliaia di JJ 2D ibridi e complesse reti QIC superando così le sfide di scalabilità di questi dispositivi quantistici.
Discutiamo di due diversi approcci per la fabbricazione del dispositivo: per il dispositivo 1, un circuito che comprende otto JJ identici e simmetrici di lunghezza 850 nm e 4 larghezze di m sono modellati da fotolitografia23,24. Il dispositivo 2 comprende otto giunzioni con lunghezze diverse. Hanno tutti la stessa larghezza di 3 m. I JJ sono modellati da litografia e-bam25. Saranno presentate le misurazioni del trasporto a intervalli di temperatura sub-Kelvin in assenza/presenza di campo magnetico. I QIC su chip è costituito da array di 2D Nb- In0.75Ga0.25Come -Nb JJs. Le giunzioni lunghe e corte sono misurate in un frigorifero di diluizione con una temperatura di base di 40 mK e liquido 3Ha raffreddato criostat con una temperatura di base di 300 mK, rispettivamente. I dispositivi sono di parte con un segnale acdi 5 V a 70 Hz che è sovrapposto alla distorsione di tensione dc giunzione. Viene utilizzata una tecnica di lock-in standard a due terminali per misurare l’uscita del dispositivo ac-current23,24,25.
Sono stati dimostrati QIC su chip che comprendono una serie di JJ basati su pozzi quantici superconduttori indium gallium (In0,75Ga0.25As). Sono state affrontate due importanti sfide dei sistemi materiali ibridi S-Sm, come la scalabilità e la trasparenza dell’interfaccia. Due passi critici che piagnucolano il protocollo, tra cui la crescita di alta qualità e mobilità, nello0,75Ga0,25Poiché il gas elettronico bidimensionale nelle eterostrutture semiconduttori e la superconduttività indotta dalla prossimità in 2DEG sono stati discusso23,24,25.
Crescita di In0.75Ga0.25Come con strati cuscinetto step-graded nel substrato GaAs e anche la formazione di interfacce omogenee e prive di barriere tra il superconduttore e semiconduttore è un passo cruciale in tale circuito quantistico ibrido 2D sviluppo. È stato dimostrato che con un’attenta incisione la pellicola superconduttrice sputtered può creare contatti altamente trasparenti con In0,75Ga0,25Come pozzi quantici con conseguente rilevamento del divario superconduttore indotto nei semiconduttori23 , 24 Mi lasa’ di , 25.
L’importanza rispetto ai metodi esistenti è che la tecnica presentata per jJ ibridi 2D e la realizzazione del circuito non richiede la deposizione insitu di superconduttori su semiconduttori in una camera MBE dopo che la crescita dei semiconduttori è stata completato23,24,25. L’altro significato è che il wafer eterostruttura può essere coltivato come una scrivania fino a 10 cm di diametro, permettendo la fabbricazione di migliaia di giunzioni e circuiti 2D ibridi, superando così le sfide di scalabilità dei circuiti quantistici ibridi S-Sm e dei dispositivi 22 Milia , 23 del 23 o , 24 Mi lasa’ di , 25.
La superconduttività indotta nei pozzi quantici, l’SGS sulla conduttanza differenziale delle giunzioni 2D e il trasporto quantistico balistico coerente in fase misurati nelle nostre giunzioni suggeriscono fortemente che le giunzioni e i circuiti 2D ibridi basati sulla superconduttrice In 0,75 (in questo 0,05) Ga0.25Come 2DEG permettersi un promettente sistema di materiali per tecnologie di elaborazione e calcolo quantistiche scalabili. Il nostro approccio potrebbe aprire una nuova strada verso la tecnologia quantistica e contribuire a spianare la strada allo sviluppo di circuiti quantistici topologici su chip per realizzare la prossima generazione di processori quantistici23,24,25.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori riconoscono il sostegno finanziario dell’EPSRC, grant 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 |