مقالة منهجية

الدوائر المتكاملة الكم قابلة للتحجيم على فائقة التوصيل ثنائي الأبعاد منصة الغاز الإلكترون

DOI:

10.3791/57818

⸱

أغسطس 2, 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Centre for Advanced Photonics and Electronics, Engineering Department, University of Cambridge, 2Department of Physics, Cavendish Laboratory, University of Cambridge, 3Department of Electronic and Electrical Engineering, University College London, 4Department of Materials Science and Metallurgy, University of Cambridge, 5Department of Electronic and Electrical Engineering, University of Sheffield

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ملاحظة: يتم تقديم أشباه الموصلات heterostructure والهجين S-SM جوزيفسون تقاطع تلفيق.

1. شبه موصل تلفيق هيكل غير متجانس

ملاحظة: شعاع الجزيئية epitaxy (MBE) نمت في0.75Ga0.25كما تستخدم آبار الكم في هذه الدراسة23،24،25،26. يصور الشكل 1 تسلسل الطبقات المتميزة:

  1. تنظيف 500 ميكرومتر سميكة، 3 بوصة شبه عازلة (001) GaAs الركيزة وإزالة طبقة أكسيد في درجة حرارة عالية (فوق 200 درجة مئوية)26.
  2. ضبط درجة حرارة النمو في 580 درجة مئوية وتنمو طبقة عازلة من GaAs / AlAs / GaAs الأفلام مع سمك 50/75/250 نانومتر26.
  3. منحدر أسفل درجة حرارة الركيزة لمدة 20 دقيقة ومن ثم تنمو طبقة عازلة متدرجة خطوة من InAlAs مع سمك 1300 نانومتر عند بدء درجات حرارة الركيزة من T = 416، 390، 360، 341، 331 و 337 درجة مئوية26.
  4. تنمو 30 نانومتر سميكة في0.75Ga0.25كما الكم جيدا 2DEG في درجة حرارة الركيزة أعلى قليلا26.
  5. تغطية الكم 2DEG جيدا مع 60 نانومتر في0.75Al0.25كما فاصل, ومن ثم تعديل مخدر رقاقة من قبل 15 نانومتر سميكة من نوع ن في0.75آل0.25كما. وهذا من شأنه أن يضمن السلوك في الظلام26.
  6. تنمو 45 نانومتر في0.75Al0.25كما طبقة تليها طبقة غطاء من InGaAs مع سمك 2 نانومتر26.
  7. إجراء قياس التذبذبات شوبنيكوف دي هاس وتأثير القاعة للعثورعلى كثافة الإلكترون (نق)والتنقل (μe)في درجة حرارة T= 1.5 K26. من قياسات النقل، استنتج أن نق= 2.24 × 1011 (سم-2)وμe= 2.5 × 105 (سم2/ مقابل) في الظلام ولكن نق= 2.28 × 1011 (سم -2) وμe= 2.58 × 105 (سم2/ مقابل) بعد الإضاءة.

2. ثنائي الأبعاد جوزيفسون تقاطع تلفيق

ملاحظة: هنا، تتم مناقشة عملية تصنيع QICs الهجين مع نهجين مختلفين23،24،25. الجهاز 1 مع ثمانية تقاطعات جوزيفسون طويلة متطابقة تم تصنيعها فقط مع خطوات قليلة من معالجة التصوير الضوئي. وكان الإجراء الثاني لتصنيع الجهاز مشابهاً للجهاز 1 حتى تشكيل JJs الذي خطوة تم استخدام الطباعة الحجرية بشعاع إلكتروني.

  1. رسم JJs وتخطيط جهاز QIC، بما في ذلك ميسا وأنماط ohmic باستخدام برنامج أوتوكاد25. ابدأ الرسم بتحديد الطبقات المناسبة لتشكيل قائمة محدد الطبقة. إنشاء طبقة جديدة من التنسيق | طبقة في برنامج أوتوكاد.
  2. تصميم وتصنيع قناع التصوير الضوئي. اختر الأشكال والجيومتريات المطلوبة من قائمة اللوحة في البرنامج. انقر على الشكل المطلوب من JJs (أي المستطيلات والمربعات) ودفع نافذة الرسم لبدء الشكل (انقر في قائمة مساعدة برنامج أوتوكاد لمزيد من التفاصيل).
  3. نمط JJs وQICs التصاميم، بعد تطوير مقاومة الضوء على رقاقة، وتلفيق هياكل ميسا لتكون بمثابة المنطقة النشطة (المنطقة التي أثيرت في الشكل1) من قبل الرطب حفر في حلول حمض H2SO4:H2O2 (1:8:1000)23،24،25. شطف الجهاز في المياه DI لمدة 30 s ثم تجف مع غاز النيتروجين.
  4. ضمان عمق حفر ~ 150 نانومتر من قبل سطح DEKTAK محلل23،24،25.
  5. تشكيل الاتصالات ohmic، لجعل الاتصال الكهربائي بين المعدن و2DEG، عن طريق الغزل مقاومة للضوء على رأس رقاقة ومن ثم التعرض للأشعة فوق البنفسجية من خلال قناع الصورة. تطوير مقاومة في MF-319 لمدة 1 دقيقة.
  6. حفر خندق عميق 140 نانومتر على قمة المنطقة النشطة لتشكيل JJs 2D إما photolithographically (الجهاز 1) أو ه- شعاع حجري (الجهاز 2) النقش والنقش الرطب في حمض المذكورة أعلاه (ينبغي أن تشكل JJs بعيدا عن الاتصالات ohmic، على مسافة > 100 ميكرومتر، لضمان أن الإلكترونات العادية من هذا الجزء لا تؤثر على واجهات تقاطع)23،24،25.
  7. تلعثم a \u2012130 نانومتر superconducting Nb فيلم لتشكيل Nb-In0.75Ga0.25كما نب JJs (من قبل العاصمة المغنطرين التأتأة في البلازما Ar),
  8. إيداع 10/50 نانومتر سميكة تي / الاتحاد الافريقي الأفلام للاتصالات الكهربائية وأغراض قياس النقل.
  9. نقل وتحميل الجهاز على الناقل رقاقة بدون رصاص القياسية (LCC) باستخدام الورنيش جنرال الكتريك، وإجراء الاتصالات الكهربائية بين الجهاز ومنصات LCC باستخدام أسلاك الذهب.
  10. تحميل الأجهزة في 3He cryostat أو تخفيف الثلاجة لقياسات النقل.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الشكل 2 يظهر صورة المجهر الإلكتروني المسح الضوئي (SEM) للجهاز 1. ويمكن رؤية دائرة الكم مع 20 الأسلاك الكهربائية. تصميم يسمح بقياس واحد أو سلسلة من JJs على رقاقة في ثلاجة واحدة تهدئة. تظهر صورة SEM لتقاطع واحد على دائرة الجهاز 2، التي تم تصنيعها بواسطة الطباعة الحجرية بشعاع إلكتروني، في الشكل 2ب. المسافة بين اثنين من الأفلام Nb في كل جانب من Nb-In0.75Ga0.25As-Nb تقاطع هو L= 550 نانومتر في أقصر مسار. الشكل 2 ج يظهر صورة SEM من تقاطع واحد من الجهاز 1- الذي هو ملفقة photolithographically. هنا، يتم فصل اثنين من أقطاب Nb بمسافة L= 850 نانومتر.

نظرية Blonder-Tinkham-Klapwijk (BTK) هي نموذج مقبول لوصف نقل الكم في تقاطعات S-SM الهجينة 27. تأثير معلمات ترتيب موصل فائق في شبه موصل 2DEG يؤدي إلى إجراء التفاضلية غير الخطية. في درجات الحرارة المنخفضة، هناك اثنين من آليات انعكاس ممكن في Nb-In0.75Ga0.25كواجهات: انعكاس عادي الذي يسبب أي انتقال تهمة من خلال واجهة وانعكاسات Andreev، الذي ينقل شحنتين الكم 2ه، مع الرجعية انعكاس حفرة23،24،25. كما المكثفات فائقة التوصيل يتكون من أزواج كوبر تدور singlet، وثقب ينعكس لديه تدور المعاكس كما الإلكترون واردة. ويرد الرسم البياني الكرتوني لهاتين العمليتين في الشكل 3أ،ب،على التوالي28.

إذا كانت الواجهة بين Nb و In0.75Ga0.25كما الاتصال ليست شفافة، وهناك تعايش كل من الإلكترونات العادية وAndreev ينعكس. وهكذا، تزداد المقاومة ويتم تشكيل ذروة التحيز الصفري داخل الفجوة. مثل هذه الذروة في الفجوة في dV / dI (VSD)لا يلاحظ في تقاطعات لدينا. ومع ذلك، لمتجانسةوخالية من الحواجز (Z = 0) واجهة بين الفيلم Nb وفي0.75Ga0.25كاتصال، جميع الإلكترونات الحادث الخضوع انعكاس Andreev. في مثل هذه الحالة، يتم تشكيل تيار زائد أناexc في تقاطع بسبب الارتباطات من الإلكترون- وحفرة مثل شبه الجسيمات. لذلك، يتم تقليل المقاومة التفاضلية داخل الفجوة ويلاحظ تراجع مسطح علىشكل حرف U في dV /dI (VSD). وفقا لنموذج BTK، يمكن استنتاج أنه لا يوجد حاجز نفق شكلت في Nb-In0.75Ga0.25كواجهات لكلا الجهازين. لذلك، يقدر أن قوة الحاجز Z < 0.2 في تقاطعات لدينا23،24،25.

وبسبب تأثير القرب، تقاس الفجوة المستحثة بحوالي Δind - 100 μEV، و650 ميكروفولت في الجهازين 1 و2 على التوالي. يظهر في الشكل 4أ. انعكاسات Andreev متعددة (MAR) في واجهات Nb-In0.75Ga0.25كما يؤدي تقاطع في مراقبة SGS في التوصيل التفاضلي. عند أدنى درجة حرارة مقاسة T= 50 mK (منحنى أحمر)، تظهر SGS مع ثلاث قمم (تسمى P1 وP2 وP3) وثلاث انخفاضات (تسمى d1 وd2 وd3). ويبين الشكل 4بتطور درجة الحرارة في القمم والانخفاضات بسبب قمع الموصلية الفائقة المستحثة مع زيادة درجة الحرارة. مواقف الذروة SGS طاعة التعبير V = 2Δ / ne (Δ هو الطاقة الفجوة Nb، ن = 1، 2، 3، ... هو عدد صحيح، وe هو تهمة الإلكترون): P1، P2، P3 و P4 مواقف تتوافق تقريبا إلى 2Δ/3e، 2Δ/4e، 2Δ/6e وحافة الفجوة المستحثة ولكن مواقف تراجع لا تتبع التعبير. تعتمد جميع الميزات بشكل كبير على درجة الحرارة، ويلاحظ أقوى (أضعف) قمم SGS (الانخفاضات) في T= 50 mK (800 mK). ومن الجدير بالذكر أنه حتى في درجات الحرارة فوق T= 500 mK حيث لم يعد من الممكن رؤية التيار الفائق، لوحظ SGS لكنه يختفي في T> 800 mK- عندما يتم غسل الموصلية الفائقة المستحثة.

لهذا الجهاز مع مجموعة من ثمانية JJs 2D، في 4 من أصل 7 تقاطعات، فجوة superconducting التي يسببها الثابت في في0.75Ga0.25كما تم العثور على 2DEG23،24. ومع ذلك، أظهرت ثلاثة تقاطعات توقيع فجوة لينة ولم يلاحظ هيكل الثابت ولا لينة الفجوة للتقاطع الأخير بسبب فشل الاتصال الأسلاك بين الجهاز وسادة.

وتظهر الفجوة فائقة التوصيل كدالة للجهد VSD المطبق ودرجة حرارة الجهاز 2 في الشكل 5أ. تم قياس هذا الجهاز في 3He cryostat مع درجة حرارة قاعدة من T= 280 mK. لا تظهر قياسات نقل درجة الحرارة والمجال المغناطيسي لقياسات الجهاز 2 أي علامة على التذبذبات في الفجوة أو الفجوة الفرعية التي لوحظت للجهاز 1 (انظر الشكل 5أ،ب). قد يكون هذا بسبب هندسة على شكل سهم من تقاطع التي قد تسبب تداخل مدمر من MAR. قد تظهر هذه الميزات في التوصيل التفاضلي إذا تم قياس الجهاز في درجات حرارة أقل بكثير (تخفيف درجة حرارة قاعدة الثلاجة). يتم قمع الفجوة المستحثة ونقلها نحو التحيز الجهد صفر والسعة الخاصة بهم يقلل مع زيادة درجة الحرارة التطبيقية والمجال المغناطيسي.

figure-results-1
الشكل 1 . في0.75Ga0.25كما في0.75Al0.25As/GaAs heterostructure. يتم تشكيل وجهة النظر التخطيطية للمتغاير حيث في0.75Ga0.25كما الكم بشكل جيد مع سمك 30 نانومتر \u2012120 نانومتر تحت سطح رقاقة. تم استخدام Nb كجهات اتصال فائقة التوصيل (تظهر باللون الأسود) لتشكيل Nb-In0.75Ga0.25As 2DEG-Nb Josephson junction. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-2
الشكل 2 على رقاقة الهجين superconducting-شبه موصل الدوائر الكم. (أ) صورة SEM لجهاز QICs تظهر وجهة نظر أعلى من دائرة الكم مع 20 أسلاك التحكم، و 8 اللوح وJJs متناظرة على رقاقة. صورة SEM من Nb-In0.75Ga0.25As-Nb JJs مع في0.75Ga0.25كما فجوة 2DEG من الطول L= 550 نانومتر و 850 نانومتر لشعاع إلكتروني الطباعالحجرية (ب)وphotolithographically (ج) تقاطعات ملفقة . الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3
الشكل 3 . طبيعي وانعكاسات Andreev في الهجين فائقة التوصيل شبه موصل ة تقاطعات. (أ) انعكاس شبه الجسيمات الطيفية مع عدم وجود انتقال تهمة من خلال واجهة. (ب) انعكاس Andreev في حين ينعكس الإلكترون الوارد كثقب في عكس تدور الفرعية الفرقة ونقل 2E تهمة في القطب فائقة التوصيل. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-4
الشكل 4 . الموصلية الفائقة المستحثة وSGS في في0.75Ga0.25كما آبار الكم في تقاطع ملفقة photolithographically. (أ) الاعتماد على درجة الحرارة الناجمة عن الفجوة فائقة التوصيل مع قمم SGS وضوحا بسبب انعكاسات Andreev متعددة. تتميز SGS وقمم حافة الفجوة المستحثة بـ P1 إلى P4 في حين تتميز الانخفاضات في SGS بـ d1 إلى d3. (ب) قمم SGS والانخفاضات المبينة في (أ) كدالة لدرجة الحرارة. يتم قمع SGS بشكل كبير في T> 400 mK مما يؤدي إلى التحول نحو التحيز صفر. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-5
الشكل 5 . درجة الحرارة والاعتماد على المجال المغناطيسي من الموصلية الفائقة المستحثة في تقاطعات الشعاع الإلكتروني المطبوعة الحجرية. (أ) الفجوة الناتجة عن التوصيل الفائق مقابل الجهد الصامد للمصادر المطبق VSD عند درجات حرارة تتراوح بين 300 مليون كيلو متر مربع و1.5 كيلو متر مربع. يتم إزاحة المنحنيات عمودياً للوضوح. (ب) مقاومة تفاضلية مرمزة بالألوان كدالة لـ VSD والمجال المغناطيسي العمودي في T= 300 mK. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويعترف المؤلفون بالدعم المالي المقدم من المركز، ويمنح شركة MQIC.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
CompactDAQ ChassisNational Instruments NIcDAC-9178
DSP مكبر للصوتAMETEK 7265190284-A-MNL-C
ثلاجة مخففةثلاجة محملة بلوفورسبوتوم
ثلاجة مخففةثلاجة أكسفوردكيلفينوكس MX40
ثلاجة مبللة كاتب ماسي MICROTECKarl SussHR 100
Dektak Surface ProfilometerVeeco3ST
المبخرEdwardsAUTO 306
EvoratorEdwardsCoating System E306A
3He CryostatOxford
  شركة أبحاث المقاومة للضوء الدوار  EC101DT-R790 
Matlab
Mask AlignerKarl SussMJB 3
Source MeterKeithley 2614B
بنية غير متجانسة أشباه الموصلة: MBE Veeco نظام الجيل الثالثMBE رقائق المزروعة
سلك BonderK & S 4524

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Josephson, B. D. Possible new effects in superconductive tunneling. Physics Letters. 1, 251-253 (1962).
  2. Mukhanov, O. A. Energy-efficient single flux quantum technology. IEEE Transaction on Applied Superconductivity. 21, 760-769 (2011).
  3. Tsujimoto, M., et al. Broadly Tunable Subterahertz Emission from Internal Branches of the Current-Voltage Characteristics of Superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+δ Single Crystals. Physical Review Letters. 108 (10), 1-5 (2012).
  4. Delfanazari, K., et al. Effect of Bias Electrode Position on Terahertz Radiation from Pentagonal Mesas of Superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+d. IEEE Transaction Terahertz Science and Technology. 5 (3), 505-511 (2015).
  5. Delfanazari, K., et al. Terahertz Oscillating Devices Based upon the Intrinsic Josephson Junctions in a High Temperature Superconductor. Journal of Infrared, Millimeter, Terahertz Waves. 35 (1), 131-146 (2014).
  6. Delfanazari, K., et al. Tunable Terahertz Emission from the Intrinsic Josephson Junctions in Acute Isosceles Triangular Bi2Sr2CaCu2O8+δ Mesas. Optics Express. 21 (2), 2171-2184 (2013).
  7. Delfanazari, K., et al. Study of Coherent and Continuous Terahertz Wave Emission in Equilateral Triangular Mesas of Superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+δ intrinsic Josephson Junctions. Physica C Superconductivity and its Application. 491, 16-19 (2013).
  8. Kashiwagi, T., et al. High Temperature Superconductor Terahertz Emitters: Fundamental Physics and Its Applications. Japanese Journal of Applied Physics. 51 (1), 1-14 (2012).
  9. Klemm, R. A., et al. Modeling the Electromagnetic Cavity Mode Contributions to the THz Emission from Triangular Bi2Sr2CaCu2O8+δ mesas. Physica C Superconductivity and its Application. 491, 30-34 (2013).
  10. Cerkoney, D. P., et al. Cavity Mode Enhancement of Terahertz Emission from Equilateral Triangular Microstrip Antennas of the High- Tcsuperconductor Bi2Sr2CaCu2O8+δ. Journal of Physics: Condensed Matter. 29 (1), 15601(2017).
  11. Sand-Jespersen, T., et al. Kondo-Enhanced Andreev Tunneling in InAs Nanowire Quantum Dots. Physical Review Letters. 99, 126603(2007).
  12. Herr, Q. P., et al. Reproducible operating margins on a 72800-device digital superconducting chip. Superconductor Science and Technology. 28, 124003(2015).
  13. Van Dam, J. A., Nazarov, Y. V., Bakkers, E. P. A. M., Franceschi, S. D., Kouwenhoven, L. P. Supercurrent reversal in quantum dots. Nature. 442, 667-670 (2006).
  14. Giazotto, F., et al. A Josephson Quantum Electron Pump. Nature Physics. 7, 857-861 (2011).
  15. Cybart, S. A., et al. Large voltage modulation in magnetic field sensors from two dimensional arrays of YBaCuO nano Josephson junctions. Applied Physics Letters. 104, 062601(2014).
  16. Kalhor, S., Ghanaatshoar, M., Kashiwagi, T., Kadowaki, K., Kelly, M. J., Delfanazari, K. Thermal Tuning of High- Tc Superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+δ Terahertz Metamaterial. IEEE Photonics Journal. 9 (5), 1-8 (2017).
  17. Mourik, V., et al. Signatures of Majorana fermions in hybrid superconductor-semiconductor nanowire devices. Science. 336, 1003-1007 (2012).
  18. Chang, W., et al. Hard gap in epitaxial semiconductor-superconductor nanowires. Nature Nanotechnology. 10, 1038(2014).
  19. Rokhinson, L. P., Liu, X., Furdyna, J. K. The fractional ac. Josephson effect in a semiconductor-superconductor nanowire as a signature of Majorana particles. Nature Physics. 8, 795-799 (2012).
  20. Deng, M. T., et al. Majorana bound state in a coupled quantum-dot hybrid-nanowire system. Science. 354, 1557-1562 (2016).
  21. Gül, Ö, et al. Hard Superconducting Gap in InSb Nanowires. Nano Letters. 17 (4), 2690-2696 (2017).
  22. Nichele, F., et al. Scaling of Majorana Zero-Bias Conductance Peaks. Physical Review Letters. 119, 136803(2017).
  23. Delfanazari, K., et al. On Chip Andreev Devices: hard Gap and Quantum Transport in Ballistic Nb-In0.75Ga0.25As quantum well-Nb Josephson junctions. Advanced Materials. 29, 1701836(2017).
  24. Delfanazari, K., et al. Induced superconductivity in indium gallium arsenide quantum well. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 459, 282-284 (2018).
  25. Delfanazari, K., et al. On-chip hybrid Superconducting-Semiconducting Quantum Circuit. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 28, 4(2018).
  26. Chen, C., et al. Growth variations and scattering mechanisms in metamorphic In0.75Ga0.25As/In0.75Al0.25As quantum wells grown by molecular beam epitaxy. Journal of Crystal Growth. 425, 70-75 (2015).
  27. Blonder, G. E., Tinkham, M., Klapwijk, T. M. Transition from metallic to tunneling regimes in superconducting micro-constrictions: Excess current, charge imbalance, and supercurrent conversion. Physical Review B. 25, 4515(1982).
  28. Beenakker, C. W. J. Random-matrix theory of quantum transport. Review Modern Physics. 69, 731(1997).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

Quantum Integrated CircuitsSuperconducting Two Dimensional Electron GasJosephson JunctionsProximity Induced SuperconductivityPhotolithographic FabricationElectron Beam LithographyNiobium ElectrodesIndium Gallium ArsenideDilution RefrigeratorCoherent Quantum Transport

مقالات ذات صلة