6 Minutės
Tyrėjai pirmą kartą pavertė plačiai naudojamą puslaidininkį — germanį — superlaidininku, atverdami naują kelią energiją taupančioms kvantinėms mikroschemoms ir kriogeninei elektronikai. Įterpdami galio atomus į germanio kristalų tinklą su atominio lygmens tikslumu, komanda sukūrė stabilų, be varžos srovės laidinį sluoksnį, kurį galima gaminti ant viso plokštelės (wafer) masto.
Kodėl germanio superlaidumas yra reikšmingas
Puslaidininkiai, tokie kaip silicis ir germanis, yra šiuolaikinės elektronikos pagrindas, tačiau įprastai jie priešinasi elektronų srautui ir išskiria šilumą. Superlaidininkai, priešingai, perduoda srovę esant nulinėms elektrinėms varžoms. Abi savybės viename materiale gali pašalinti tarpinių sąsajų nuostolius, kurie vargina hibridinius įrenginius, ir taip žymiai pagerinti klasikinės skaičiavimo technikos, kriogeninės valdymo elektronikos ir kvantinių procesorių našumą.
Javad Shabani, NYU Kvantinės informacijos fizikos centro ir Kvantinio instituto direktorius bei tyrimo vadovas, teigia: „Superlaidumo įvedimas į germanį, jau plačiai naudojamą mikroschemose ir optiniuose kabeliuose, gali iš esmės pakeisti daugelį vartotojams skirtų produktų ir pramonės technologijų.“ Peter Jacobson iš Kvinslendo universiteto priduria, kad ši pažanga „gali pagreitinti praktinių kvantinių sistemų kūrimą“, sudarant švarias, mastelio keičiamas ribas tarp superlaidinančių ir puslaidinančių regionų.
.avif)
Josephsono jungčių struktūros — kvantiniai įrenginiai, sudaryti iš dviejų superlaidininkų ir plonos ne-superlaidinančios barjeros — naudojant skirtingas germanio (Ge) fazes: super-Ge (paauksuota), puslaidininkinis Ge (mėlyna) ir super-Ge, išaugintas plokštelės lygiu. Milijonai Josephsono jungčių pikselių (10 mikrometrų kvadratas) gali būti sukurti naudojant šią naują medžiagų sąranką wafer mastu. Įterptoje dalyje matyti super-Ge kristalinė forma toje pačioje puslaidininkio Ge matricoje — esminis elementas kristalinėms Josephsono jungtims.
Iš istorijos pusės žvelgiant, grupės IV puslaidininkių (pvz., silicio ir germanio) pavertimas superlaidininkais buvo sudėtingas uždavinys. Didelės dopantų koncentracijos linkusios ardyti kristalinį tinklą, o nepreciziškos įterpimo metodikos sutrikdo atominį tvarkingumą, reikalingą elektronų poravimuisi — mikroskopiniam superlaidumo mechanizmui. Naujoji studija įveikia šiuos barjerus derindama itin tikslų augimą su išsamia struktūrine diagnostika, leidžiančia suprasti, kaip dopantas prisitaiko prie matricoje esančių vietų ir kaip tai veikia elektroninį kondensatą.
Kaip komanda sukūrė superlaidų germanį
Pagrindinis pasiekimas yra medžiagų lygmens kontrolė. Vietoj jonų implantacijos — grubaus ir dažnai pažeidžiančio metodo — tyrėjai pasitelkė molekulinę spindulio epitaksiją (MBE) siekdami auginti plonus germanio sluoksnius tuo pačiu metu pažangiai integruojant galio atomus į kristalinį tinklą. Galis veikia kaip dopantas, didinantis judriųjų krūvininkų skaičių, bet esant aukštoms koncentracijoms paprastai suardomas kristalas. MBE leidžia atomams „susėsti“ į palankias vietas augimo metu, išsaugant kristalinį tvarkingumą net ir tada, kai daug galio atomų pakeičia germanį.
Optimalioms augimo sąlygoms nustatyti komanda rėmėsi pažangiais rentgeno (X-ray) matavimais ir struktūrinėmis metrologijomis. Šie tyrimai atskleidė, kaip galis užima tinklo vietas, kokio tipo vietinius iškraipymus jis sukelia ir kiek deformacijos kristalas gali toleruoti, kol superlaidumas slopsta. Koreguodami temperatūrą, srautą ir kitus epitaksijos parametrus, mokslininkai pasiekė kristalinę „super-Ge“ fazę, kuri leidžia srovei tekėti be atsparumo žemiau maždaug 3,5 Kelvino (apie −453 °F). Tai kritinis rodiklis, nes aukštesnės kritinės temperatūros paprastai palengvina praktinį pritaikymą.
Julian Steele, bendraautorius iš Kvinslendo universiteto, paaiškina: „Epitaksija — plonų kristalinių sluoksnių auginimas — suteikia mums struktūrinį tikslumą, kurio ilgą laiką trūko bandant suprasti ir valdyti, kaip superlaidumas atsiranda šiose medžiagose.“ Tyrime taip pat dalyvavo bendradarbiai iš ETH Ciuricho ir Ohajo valstijos universiteto, o dalinį finansavimą suteikė JAV Karinių oro pajėgų mokslinių tyrimų tarnyba (Air Force Office of Scientific Research). Tokios tarpdisciplininės komandos ir finansavimo šaltiniai yra svarbūs greitam technologiniam perėjimui nuo demonstracijų prie pramoninių gamybos procesų.
Nuo laboratorinės demonstracijos iki wafer lygio kvantinių įrenginių
Vienas iš įspūdingiausių tyrimo teiginių yra šio metodo gamybos suderinamumas. Super-Ge medžiagų sąranka gali būti išauginta wafer mastu, leidžianti vienoje plokštelėje pagaminti milijonus Josephsono jungčių pikselių (10 µm kampuotos kvadratinės dalelės). Josephsono jungtys yra esminiai blokai daugumai superlaidinančių kvantinių grandinių ir jutiklių — jas galima panaudoti kaip qubitų elementus, nekontaktiškus detektorius ar tikslumo fazinius elementus. Tiesioginis kristalinio germanio sluoksnių naudojimas Josephsono jungčių formavimui panaikina sudėtingas hibridines sąsajas ir gali palengvinti integraciją su esamomis puslaidininkių gamyklomis (foundries), taip sumažinant pritaikymo išlaidas ir riziką, susijusią su naujų procesų diegimu.
Galimos taikymo sritys apima:
- Pritaikomus foundry aplinkai qubitus ir superlaidinčias jungtis, kurios natūraliai gali tūnoti toje pačioje plokštelėje su puslaidininkių valdymo elektronika, sumažinant interconnect, sąsajų ir tarpinių sluoksnių kiekį.
- Žemos galios kriogeninius valdymo lustus didelio masto kvantiniams procesoriams, mažinančius šilumos apkrovą ir laidų sudėtingumą esant milikelvinų temperatūroms.
- Aukštos jautrios jutiklių grandines ir superlaidinančias mikrobangų grandines, kurių koherencija gerėja dėl švariau sujungtų atominių sąsajų bei mažesnio triukšmo iš amorfinių ar oksidinių tarpinių sluoksnių.
Todėl, kad germanis jau naudojamas pažangiuose puslaidininkinių procesų etapuose ir optinių komponentų gamyboje, jo pavertimas superlaidininku nereiškia būtinybės radikaliai keisti visą gamybos infrastruktūrą. Tokia suderinamība gali ženkliai pagreitinti komercializaciją: gamintojai galėtų diegti pavienius papildomus procesus epitalijai ir dopavimui vietoje to, kad kurtų visiškai naujas gamybos linijas. Be to, galimybė reguliuoti superlaidumą per kontroliuojamą galio substituciją suteikia naują platformą pagrindiniams moksliniams tyrimams, leidžiantiems nagrinėti elektronų poravimosi fiziką grupės IV medžiagose, taip pat įtaką magnetiniam laukui, nešikliniam tankiui ir sprendžiamam dislokacijoms bei defektams.
Ekspertų įžvalgos
Dr. Elisa Moreno, hipotetinė medžiagų mokslininkė, specializuojanti kvantinių įrenginių integracijoje, komentuoja: „Šis rezultatas yra praktinis žaidimą keičiantis pasiekimas. Superlaidumo įvedimas į medžiagą, kuri jau yra naudojama foundries, pašalina didelį barjerą tarp eksperimentinės kvantinės aparatinės įrangos ir mastelio gamybos. Svarbiausia bus procesų pakartojamumas skirtingų dydžių plokštelėse ir suderinamumas su backend apdirbimu — bet kelias dabar aiškus.“
Jos komentaras pabrėžia atradimo pragmatinį pobūdį: tai ne tik fizikos proveržis, bet ir medžiagų inžinerijos sprendimas, sujungiantis laboratorinius superlaidininkus su pramoniniais puslaidininkių gamybos srautais. Tokia perskyra tarp mokslo ir pramonės yra dažnai lemiamas momentas, kai tyrimai gali virsti komerciškai naudingomis technologijomis.
Žvelgiant į priekį, tyrėjai ketina išsamiai ištirti, kiek atsparesnė super-Ge fazė yra tolimesniems apdorojimo žingsniams: ar ji toleruoja backend komponentų dėjimą, šiluminį apdorojimą, litografines procedūras ir kontaktų formavimą. Taip pat bus tiriama, ar kritinė temperatūra (Tc) gali būti pakelta naudojant alternatyvius dopantus, kombinacinį dopavimą, mechaninį įtempių inžineriją (strain engineering) arba daugiakomponentes heterostruktūras. Galiausiai bus vertinama, kaip super-Ge pagaminti prietaisai veikia realiose kvantinėse grandinėse: ar jie pasižymės ilgesne qubitų koherencija, mažesniais nuostoliais mikrobangų grandinėse ir didesne jutiklių jautrumu įvairioms fizikinių parametrų perturbacijoms.
Šaltinis: sciencedaily
Palikite komentarą