שילוב מדרגי של מעגלים קוונטית משולבים בפלטפורמת גז אלקטרונים דו מימדית

Kaveh Delfanazari; Pengcheng Ma; Reuben Puddy; Teng Yi; Moda Cao; Yilmaz Gul; Carly L. Richardson; Ian Farrer; David Ritchie; Hannah J. Joyce; Michael  J. Kelly; Charles  G. Smith

doi:10.3791/57818

מאמר שיטה

שילוב מדרגי של מעגלים קוונטית משולבים בפלטפורמת גז אלקטרונים דו מימדית

DOI:

10.3791/57818

⸱

2 באוגוסט 2019

Kaveh Delfanazari¹^,² , Pengcheng Ma² , Reuben Puddy² , Teng Yi² , Moda Cao² , Yilmaz Gul³ , Carly L. Richardson⁴ , Ian Farrer²^,⁵ , David Ritchie² , Hannah J. Joyce¹ , Michael J. Kelly¹^,² , Charles G. Smith²

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

במאמר זה

סיכום

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

מעגלים משולבים קוונטית (QICs) המורכב של מערך של הצמתים Josephson מישורי ובליסטיים (JJs) מבוסס ב_0.75Ga_0.25כמו גז אלקטרוני דו מימדי (2deg עלות) מוצג. שתי שיטות שונות לייצור דו מימדי (2D) JJs ו QICs נדונים ואחריו הפגנה של מדידות הובלה קוונטית בטמפרטורות sub-קלווין.

תקציר

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

כדי ליצור הובלה קוונטית קוהרנטית בצמתים היברידית מוליכים למחצה (S-Sm), היווצרות ממשק הומוגנית ונטול מכשולים בין שני חומרים שונים הוא הכרחי. הצומת S-Sm עם שקיפות ממשק גבוה לאחר מכן להקל על התבוננות של פער מוליך הקשה המושרה, שהיא הדרישה המפתח כדי לגשת לשלבים טופולוגי (המיתאר) וצפייה של quasiparticles אקזוטיים כגון מיראנה אפס מצבים (MZM) במערכות היברידיות. פלטפורמה חומרית שיכולה לתמוך בהתבוננות במיתאר ומאפשרת מימוש מורכב ומסועף ולכן מאוד תובענית בעיבוד קוונטי ובמדעי המחשוב והטכנולוגיה. כאן, אנו מציגים מערכת החומרים דו מימדי וללמוד את הקירבה הנגרמת על-ידי וליכים גז אלקטרוני דו מימדי (2deg עלות) כי הוא בסיס של מעגל היברידית קוונטית משולבת (QIC). 2DEG עלות הוא 30 ננומטר עבה ב_0.75Ga_0.25כמו הבאר הקוונטית שנקבר בין שניים ב_0.75אל_0.25כמו מחסומים בהטרולבנה. ניאוביום (Nb) סרטים משמשים כאלקטרודות סופר מוליך לטופס Nb-ב_0.75Ga_0.25כמו-Nb josephson צמתים (jjs) כי הם סימטריים, מישורי ובליסטיים. שתי גישות שונות שימשו ליצירת ה-JJs ו-QICs. הצמתים הארוכים היו פוטוליגרפיה מפוברק, אך השימוש בקורות הקרן האלקטרוני היה לייצור צמתים קצרים. מדידות התחבורה הקוונטית הקוהרנטית כפונקציה של טמפרטורה בנוכחות/היעדרות של שדה מגנטי B נדונים. בשתי גישות ייצור המכשיר, הקירבה המושרה מאפייני הביצוע נצפו ב_0.75Ga_0.25כ 2 מעלות. נמצא כי הקרן האלקטרוני ליטוגרפי בדוגמת JJs של התוצאה באורכים קצרים יותר התבוננות של פער המושרה על השפעת בטווח טמפרטורות גבוהות בהרבה. התוצאות שניתן לגלות ונקי מציע כי היברידית 2D JJs ו QICs על בסיס ב_0.75Ga_0.25כמו בארות הקוונטים יכול להיות פלטפורמת חומר מבטיח להגשים את המערכת האמיתית מורכבת ומדרגיים הקוונטים אלקטרונית ופוטוטוניק מעגלים ומכשירים.

מבוא

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

הצומת ג'וזפסון (JJ) נוצר על ידי sandwiching שכבה דקה של חומר לא מוליך (רגיל) בין שני סופר מנצחים¹. שונים הרומן הקוונטי מעגלים אלקטרוניים, פוטוני ומכשירים ניתן לבנות על בסיס ג ' ורג '²^,³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸, ⁹^,¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶. ביניהם, הג עם מוליך למחצה כמו החלק הלא-מוליכים שלהם (נורמלי), או superconducting נצח-מוליך למחצה-superconducting נצח (S-Sm-S) JJs, קיבלו הרבה תשומת לב בשנים האחרונות לאחר זיהוי לכאורה של חלקיקי מיראנה אקזוטיים עם אפס חיובים חשמליים בממשק של סופר מנצח ומוליכים חד-מימדי (1d) ננו-חוט¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰^,²¹^, ²². ננו-מבוססי התקנים היברידיים מוגבלים לגיאומטריה התלת-ממדית של הננו-חוט והייצור של Y ו/או T-מבנים מתוכם-דרישה הכרחית לקליעת ברכינה-מאתגרת²². הכוונון המשובח של הפוטנציאל הכימי של הננו-חוט, לגישה לשלבים טופולוגי, דורש JJs עם מספר שערים אלקטרוסטטית הגורמת די הרבה בעיות בייצור המכשיר מורכב מתוך ננו-חוט. כדי להתגבר על בעיות המדרגיות של חוטי התלת-ממד, פלטפורמות חומר דו-ממדי (2d) מאוד רצויות¹⁹^,²².

בין החומרים 2D, גז אלקטרונים דו מימדי (2D עלות) פלטפורמה-טפסים כאשר האלקטרונים מוגבלים ממשק בין שני חומרים שונים הטרומיבנה מוליך למחצה-הוא המועמד המבטיח ביותר²². השילוב של 2 מעלות עם מנצחים על ויוצרים היברידית 2Deg JJs פותח שדרה חדשה לקראת פיתוח של מערכות קוואנטיות מדרגי הדור הבא כגון עיבוד קוונטי ומחשוב. הם יכולים לתמוך הובלה קוונטית קוהרנטית הפאזה, ומוליכות על קרבה המושרה עם הסתברות שידור גבוהה, אשר הדרישה הבסיסית להתבוננות בפאזה טופולוגית. בהקשר זה, אנו להדגים QIC על שבב אשר מורכב מערך של 2D בליסטיים JJs כי ניתן לשלוט על ידי 20 חוטים. כל צומת יש שני אלקטרודות Nb כחלק מוליך על ו ב_0.75Ga_0.25כמו בארות קוואנטום בוליכים הטרוקשן כמו החלק הרגיל. וופל יכול להיות בקלות בדוגמת ליצור מבנים מורכבים QICs ברשת.

היתרונות של ב_0.75Ga_0.25כמו 2 מעלות כוללים: (i) גדול יחסית g-פקטור, (ii) חזקה רשבה ספין-מסלול הצימוד, (iii) המסה היעילה אלקטרון נמוך, ו (iv) כי הרכב אינדיום ניתן לכוונן המאפשר היווצרות של jjs עם ממשק גבוה שקיפות²³^,²⁴^,²⁵. וופל יכול להיות גדל כדיסק של עד 10 ס מ dimeter, המאפשר ייצור של אלפי היברידית 2D JJs ורשתות QICs מורכבים כך להתגבר על אתגרי המדרגיות של התקנים אלה הקוונטים.

אנו דנים בשתי גישות שונות לגבי התקנים: עבור התקן 1, מעגל הכולל שמונה הג הזהה והסימטרי של 850 באורך nm ו 4 יקרומטר רוחב הם בדוגמת פוטוליתוגרפיה²³^,²⁴. ההתקן 2 כולל שמונה צמתים עם אורכים שונים. לכולם יש את אותו רוחב של 3 μm. הג מתבנית על ידי e-bam ליתוגרפיה²⁵. מדידות התחבורה בטמפרטורה sub-קלווין טווחים בהעדר/נוכחות של שדה מגנטי יוצגו. QICs על שבב מורכב מערך של 2D Nb-ב_0.75Ga_0.25כמו-Nb jjs. הצמתים ארוך וקצר נמדדים במקרר דילול עם טמפרטורת הבסיס של 40 mK ו נוזל ³הוא מקורר קריוסטט עם טמפרטורת הבסיס של 300 mK, בהתאמה. התקנים מוטים עם אות acשל 5 μv ב 70 Hz אשר מונח על גבי הטיית מתח dc הצומת. טכניקת נעילה בשתי מסופים סטנדרטית משמשת למדידת פלט ההתקן ac-נוכחי²³^,²⁴^,²⁵.

פרוטוקול

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

הערה: הטרומבנייה מוליך למחצה וייצור היברידית S-Sm Josephson מוצגים.

1. הטרווליכים בייצור

הערה: הקרן המולקולרית (mbe) גדל ב_0.75Ga_0.25כמו בארות הקוונטים משמשים במחקר זה²³^,²⁴^,²⁵^,²⁶. איור 1 מתאר את רצף השכבות הנפרדות:

נקה 500 יקרומטר עבה, 3 אינץ ' בידוד חצי (001) gaas המצע ולהסיר את שכבת תחמוצת בטמפרטורה גבוהה (מעל 200 ° c)²⁶.
כוונן את טמפרטורת הצמיחה ב-580 ° צ' והגדל את שכבת האגירה של הסרטים GaAs/אבוי/GaAs עם עוביים של 50/75/250 nm²⁶.
השיפוע למטה את טמפרטורת המצע עבור 20 דקות ולאחר מכן לצמוח שכבה מדורגת צעד מדורגים של InAlAs עם עובי 1300 ננומטר בטמפרטורת המצע של T = 416, 390, 360, 341, 331 ו-337 ° c²⁶.
לגדול 30 ננומטר עבה ב_0.75Ga_0.25כמו קוונטום היטב 2 מעלות בטמפרטורה קצת יותר גבוה המצע²⁶.
לכסות את הטוב של הקוונטים 2 מעלות עם 60 nm ב_0.75אל_0.25כמו spacer, ולאחר מכן מודולט את הופל על ידי בעובי 15 ננומטר של n-סוג ב_0.75אל_0.25כמו. זה יבטיח את מועד הפעולה. בחשיכה²⁶
לגדל 45 ננומטר ב_0.75אל_0.25כמו שכבה ואחריו שכבת כיפה של ingaas עם עובי של 2 ננומטר²⁶.
לבצע את המדידה של שוביניקוב-דה האס ואפקט הול כדי למצוא את צפיפות האלקטרונים (n_s) ואת הניידות (μ_e) בטמפרטורה T= 1.5 K²⁶. מתוך מדידות התחבורה, היתה ההסיק כי n_s= 2.24 × 10¹¹ (ס"מ^-2) ו-μ_e= 2.5 × 10⁵ (cm²/Vs) בחושך אך n_s= 2.28 × 10¹¹ (cm ^-2-1 ו μ= 2.58 × 10⁵ (cm²/Vs) לאחר ההארה.

2. ייצור משני מימדי של הצומת ג'וזפסון

הערה: כאן, תהליך הייצור של qics היברידית עם שתי גישות שונות נדונו²³^,²⁴^,²⁵. מכשיר 1 עם שמונה הצמתים הזהים הארוכים של Josephson היה מפוברק רק עם כמה צעדים של עיבוד פוטוליטוגרפיה. הנוהל ייצור המכשיר השני היה דומה למכשיר 1 עד היווצרות של ג ' ל איזה שלב את השימוש האלקטרוני ליתוגרפיה.

לשרטט את פריסת המכשיר JJs ו QIC, כולל דפוסי mesa ו ohmic באמצעות תוכנת AutoCad²⁵. הפעל את הציור על-ידי בחירת השכבות המתאימות ליצירת תפריט בורר השכבות. יצירת שכבה חדשה מהתבנית | שכבה בתוכנת AutoCad.
עצב והרכיבו את מסיכת הפוטוגרפיה. בחרו צורות וגאומטריות רצויות מתפריט החלונית בתוכנה. לחץ על הצורה הרצויה של JJs (כלומר, מלבנים, ריבועים) ולדחוף את חלון הציור כדי ליזום את הצורה (לחץ בתפריט העזרה של תוכנת Autocad לפרטים נוספים).
דפוס העיצובים של JJs ו-QICs, לאחר פיתוח photoresist על וופל, והרכיבו את מבני מסה לפעול כאזור פעיל (האזור המועלה באיור 1) על-ידי לאיכול רטוב בפתרונות חומצה של H₂SO₄: H₂O₂ : (1:8:1000)²³^,²⁴^,²⁵. לשטוף את המכשיר במים DI עבור 30 s ולאחר מכן יבש עם גז חנקן.
להבטיח עומק חרוט של ~ 150 nm על ידי DEKTAK משטח הפרופילים²³^,²⁴^,²⁵.
טופס אנשי קשר ohmic, כדי ליצור קשר חשמלי בין המתכת לבין 2 מעלות, על ידי ספינינג photoresist על גבי וופל ולאחר מכן חשיפה לאור UV דרך מסכת צילום. לפתח את ההתנגדות ב MF-319 עבור 1 דקות. הפקדה שכבה דקה, בין 50 nm ו-100 nm של זהב/germanium/ניקל (יבגני) סגסוגת על להתנגד, דוגמת מדגם²³^,²⁴^,²⁵.
בשנת הפעילות מהווה \u003$ 140 ננומטר על האזור הפעיל כדי ליצור 2D JJs על ידי פוטוליגרפית (מכשיר 1) או e-קרן ליטוגרפית (המכשיר 2) מכונת הצילום והחריטה רטוב ב חומצה שתוארה לעיל (ג ' י יש ליצור הרחק מאנשי הקשר ohmic, מרחק של > 100 μm, כדי להבטיח שהאלקטרונים הרגילים מחלק זה לא ישפיעו על הממשקים של הצומת)²³^,²⁴^,²⁵.
Sputter a \u2012130 ננומטר לניצוח Nb הסרט כדי ליצור Nb-In_0.75Ga_0.25As-Nb ג ' י (על ידי התזה מגנטרון DC ב פלזמה Ar),
הפקדה 10/50 ננומטר בעובי של כ. א. ל. סרטי Ti/Au לאנשי קשר ומדידת תחבורה.
העבר וטען את ההתקן במנשא הרגיל של שבב ההובלה (LCC) באמצעות לקה GE, והפוך את אנשי הקשר החשמליים בין ההתקן לרפידות ה-LCC באמצעות חוטי זהב.
טען את המכשירים לתוך ³הוא קריוסטט או דילול המקרר עבור מדידות התחבורה.

תוצאות

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

איור 2 מציג את התמונה של מיקרוסקופ אלקטרוני סריקה (SEM) של המכשיר 1. ניתן לראות מעגל קוונטי עם 20 חוטי חשמל. העיצוב מאפשר מדידה של אחת או סדרה של ג ' י Js על שבב במקרר אחד קריר למטה. תמונת ה-SEM של צומת אחד על המעגל של מכשיר 2, כי היה מפוברק על ידי ליתוגרפיה הקרן האלקטרונית, מוצג באיור 2ב. המרחק בין שני סרטים Nb בכל צד של Nb-ב_0.75Ga_0.25As-Nb הצומת הוא L= 550 nm בנתיב הקצר ביותר. איור 2 c מציג את התמונה SEM של צומת אחד של התקן 1-שהוא פוטוליטוגרפית מפוברק. כאן, שני אלקטרודות Nb מופרדים במרחק של L= 850 nm.

התאוריה של בלונדר-טינטקאם-קלירווייק (BTK) היא מודל מקובל לתאר את התעבורה הקוונטית בצמתי ה-S-Sm ההיברידית²⁷. ההשפעה של הפרמטרים של הזמנת מוליך-העל ב-וליכים 2DEG עלות גורמת לקבלת הוראה בעלת מוליכות לא לינארית. בטמפרטורות נמוכות, ישנם שני מנגנוני השתקפות אפשריים ב-Nb-In_0.75Ga_0.25כמו ממשקים: השתקפות רגילה מה שגורם לא שידור התשלום דרך הממשק ואת הרהורים andreev, אשר משדר שני מטען קוויטה 2א, עם הפתח של חור²³^,²⁴,²⁵. כמו עיבוי סופר מורכב של ספין סינגתן זוגות קופר, החור משתקף יש ספין הפוך כמו אלקטרון נכנסות. תרשים הקריקטורה של שני תהליכים אלה מוצג באיור 3א, ב, בהתאמה²⁸.

אם הממשק בין ה-Nb לבין ב-_0.75Ga_0.25כאיש קשר אינו שקוף, קיים דו-קיום של אלקטרונים משתקפים הן נורמליים והן אנדרייב. לפיכך, ההתנגדות עולה והשיא בתוך הפער נוצר. כזה שיא בפער ב- dV/dI (V_SD) אינו נצפה בצמתים שלנו. עם זאת, עבור ממשק הומוגנית ומכשול חופשי (Z= 0) בין הסרט Nb ו ב_0.75Ga_0.25כאיש קשר, כל האירועים אלקטרונים עוברים השתקפות andreev. במצב כזה, הזרם העודף I_ללא נוצר בצומת בשל יחסים באמצעות אלקטרון וחור כמו quasiparticles. לכן, ההתנגדות הדיפרנציאלית בתוך הפער מצטמצם ולטבול שטוח U-צורה ב- dV/dI (V_SD) הוא נצפתה. לפי דגם BTK, ניתן להסיק כי לא נוצר מחסום מינהור ב-Nb-ב-_0.75Ga_0.25כממשקים של שני ההתקנים. לפיכך, חוזק המכשול מוערך כ-Z < 0.2 בצמתים שלנו²³^,²⁴^,²⁵.

בגלל ההשפעה קרבה, הפער המושרה של כ Δ_ind ≈ 100 μev, ו 650 μev נמדדים במכשירים 1 ו-2, בהתאמה. התלות בטמפרטורה הנגרמת פער מוליך על עם מבנים מבטאים הפער אנרגיה הרמוני (SGS) פסגות מטבלים עבור המכשיר 1 מוצגים באיור 4א. הרהורים מרובים של Andreev (MAR) בממשקים של Nb-ב_0.75Ga_0.25כמו הצומת כתוצאה מכך התבוננות של sgs במסגרת מוליכות הדיפרנציאלי. בטמפרטורה נמדד הנמוך ביותר T= 50 mK (עקום אדום), sgs מופיע עם שלוש פסגות (בשם P1, P2 ו P3) ושלושה מטבלים (בשם d1, d2 ו d3). התפתחות הטמפרטורה של הפסגות והטבלים בשל דיכוי המוליכות העל הנגרמת עם עליית הטמפרטורה מוצגים באיור 4ב. מיקומי שיא SGS לציית הביטוי V = 2Δ/Ne (Δ הוא הפער Nb אנרגיה, n = 1, 2, 3,... הוא מספר שלם, ו- e הוא המטען אלקטרון: P1, P2, P3 ו P4 משרות בקירוב 2Δ/3E, 2Δ/4E, 2Δ/6e ואת קצה הפער המושרה אבל תנוחות לטבול לא לעקוב אחר הביטוי. כל התכונות הן תלויות באופן משמעותי בטמפרטורה, והחזקים (החלשים ביותר) SGS פסגות (מטבלים) נצפו ב T= 50 mK (800 mk). כדאי להזכיר כי גם בטמפרטורות מעל T= 500 mK שבו הזרם העילי לא יכול עוד להיראות, sgs נצפתה אבל זה נעלם ב T> 800 mK-כאשר מוליכות-על הנגרמת נשטף החוצה.

עבור התקן זה עם מערך של שמונה 2d jjs, ב 4 מתוך 7 הצמתים, פער מוליך על המושרה קשה ב_0.75Ga_0.25כמו 2 מעלות נמצא²³^,²⁴. עם זאת, שלושה צמתים הראו חתימת פער רך ולא מבנה קשה ולא מרווח רך נצפה לצומת האחרון בגלל הכשל בחוט הקשר בין המכשיר לבין הלוח.

פער הניצוח כפונקציה של מתח V_SD שהוחלו והטמפרטורה של המכשיר 2 מוצג באיור 5א. התקן זה נמדד על ³הוא קריוסטט עם טמפרטורת הבסיס של T= 280 mK. הטמפרטורה והשדה המגנטי תלויים מדידות התחבורה של המכשיר 2 לא מראים שום סימן של הפער או הפער משנה התנודות אשר נצפו עבור המכשיר 1 (ראה איור 5א, ב). זה יכול להיות בגלל הגיאומטריה בצורת החץ של הצומת אשר עלול לגרום הפרעה הרסנית של MAR. תכונות כאלה עשויות להופיע באמצעי המבצע הדיפרנציאלי אם ההתקן נמדד בטמפרטורות נמוכות בהרבה (טמפרטורת הבסיס של המקרר דילול). הפער המושרה מודחק והוזז לכיוון אפס הטיית מתח והגברה שלהם פוחתת עם הגדלת הטמפרטורה המוחלת והשדה המגנטי.

figure-results-1
איור 1 . ב_0.75Ga_0.25כמו/ב_0.75אל_0.25כמו/gaas הטרובנהו. התצוגה הסכמטית של הטרולקשן שבו ב_0.75Ga_0.25כמו בבאר קוונטית עם 30 עובי ננומטר נוצר \u2012120 nm מתחת למשטח וופל. Nb שימש את אנשי הקשר (המוצג בשחור) כדי ליצור Nb היברידית ובליסטיים – ב_0.75Ga_0.25כמו 2 מעלות – Nb josephson הצומת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-2
איור 2 : היברידית על שבב וליכים מעגלים קוונטית. (א) SEM תמונה של המכשיר qics המראה העליון של מעגל קוונטי עם 20 חוטי בקרה, ו-8 ג ' י מישורי ו סימטרי על שבב. התמונה SEM של Nb-ב_0.75ga_0.25כמו-Nb jjs עם ב_0.75ga_0.25כפער של 2 מעלות האורך L= 550 nm ו-850 nm עבור e-קרן ליטוגרפית (ב) ו פוטוליגרפית (c) מפוברק צמתים . אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-3
איור 3 . רגיל ואנדרייב הרהורים בצמתים וליכים היברידית-מוליך. (א) השתקפות משתקפים quasiparticle ללא חיוב באמצעות הממשק. (ב) השתקפות אנדרייב ואילו האלקטרון הנכנס משתקף כחור הפוכה ספין הלהקה ולהעביר את הטעינה 2e לתוך האלקטרודה מוליך. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-4
איור 4 . מוליכות-על ו SGS המושרה ב_0.75Ga_0.25כמו בארות קוואנטים בפוטוליליגרפית מפוברק הצומת. (a) התלות בטמפרטורה הנגרמת פער הניצוח על פסגות sgs מבוטא עקב השתקפויות אנדרייב מרובים. SGS ואת פסגות הפער המושרה הקצוות, מסומנים על ידי P1 כדי P4 בעוד מטבלים SGS מסומנים על ידי d1 כדי d3. (ב) פסגות sgs ומטבלים המוצג (א) כפונקציה של טמפרטורה. SGS מדוכאים באופן משמעותי ב- T≫ 400 mK המוביל לתזוזה לכיוון אפס הטיה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-5
איור 5 . הטמפרטורה והתלות בשדה המגנטי של מוליכות-על שנגרמה באמצעות הקרן ליטוגרפית מפוברק. (א) המושרה מוליך על הפער לעומת מקור החלת מתח V_SD בטמפרטורות בין 300 mK ו 1.5 K. העקומות מוסטות אנכית לבהירות. (ב) צבע-התנגדות דיפרנציאלית מקודדת כפונקציה של V_SD ואת השדה המגנטי הניצב ב T= 300 mK. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

דיון

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

על-ידי שבב QICs הכולל מערך של JJs מבוסס על הנהלת האינדינום גליום ארסניד (ב_0.75Ga_0.25As) בארות הקוונטים הוכחו. שני אתגרים חשובים של היברידית מערכות חומרים S-Sm כגון מדרגיות ושקיפות ממשק טופלו. שני צעדים קריטיים לילל את הפרוטוקול, כולל הצמיחה של איכות גבוהה וניידות גבוהה ב_0.75Ga_0.25כמו גז אלקטרוני דו מימדי בוליכים הטרובנים וקירבה המושרה על מוליכות על 2 מעלות היו . שוחחנו על²³^,²⁴^,²⁵

צמיחה של_0.75Ga_0.25כמו עם צעד-מדורגים שכבות מאגר במצע gaas וגם היווצרות של ממשקים הומוגנית ונטול מחסום בין וליך נצח ו מוליך למחצה הוא צעד מכריע במעגל קוונטי 2d היברידית כגון פיתוח. זה הוכח כי עם תחריט זהיר הסרט מוליך על-ידי הרוק יכול להפוך את אנשי הקשר שקופים מאוד ב_0.75Ga_0.25כמו בארות הקוונטים וכתוצאה מכך זיהוי פער המושרה על ידי מוליכים למחצה²³ ^, בת ²⁴ ^, . ^{עשרים וחמש}

המשמעות ביחס לשיטות הקיימות היא כי הטכניקה המוצגת עבור 2D היברידית ומימוש מעגל אינו דורש את ההצהרה בלתי מקומית של סופר מנצח על מוליכים למחצה בחדר MBE לאחר הצמיחה מוליך למחצה כבר . הושלם²³^,²⁴^,²⁵ המשמעות השנייה היא כי וופל הטרוסקסואלים ניתן לגדל כשולחן של עד 10 ס"מ קוטר, המאפשר הייצור של אלפי צמתים היברידית 2D ומעגלים, כך להתגבר על אתגרי המדרגיות של היברידית S-Sm מעגלים ומכשירים קוונטית מיכל בן ²² ^, מיכל בן ²³ ^, בת ²⁴ ^, . ^{עשרים וחמש}

מוליכות העל הנגרמת בבארות קוואנטים, sgs על מוליכות המשלים של הצמתים הדו, ואת התחבורה הקוונטית בליסטיים קוהרנטית הפאזה נמדד בצמתים שלנו מראים מאוד כי היברידית 2d צמתים ומעגלים מבוסס על מוליך על ב _0.75 Ga_0.25כמו 2 מעלות לממן מערכת חומר מבטיח לעיבוד קוונטי מדרגי טכנולוגיות מיחשוב. הגישה שלנו עשויה לפתוח כביש חדש לכיוון טכנולוגיית קוואנטום ומסייעת לסלול את הדרך לפיתוח מעגלי הקוונטים הטופולוגי של השבב על מנת להגשים את הדור הבא של מעבדי הקוונטים²³^,²⁴^,²⁵.

גילויים

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

. למחברים אין מה לגלות

תודות

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

המחברים מכירים בתמיכה הפיננסית מ-EPSRC, הענק MQIC.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
CompactDAQ שלדה	National Instruments	NI cDAC-9178
DSP מגבר נעילה	AMETEK 7265	190284-A-MNL-C
מקרר דילול	Blueforce		מקרר טעון Buttom
מקרר דילול	אוקספורד	KelvinoxMX40	מקרר רטוב
יהלומים MICROTEC	Karl Suss	HR 100
Dektak משטח פרופילומטר	Veeco	3ST
מאייד	אדוארדס	AUTO 306
מאייד	אדוארדס	מערכת ציפוי E306A
³He Cryostat	Oxford
Photoresist Spinner	Headway Research Inc.	EC101DT-R190
Matlab
מיישר מסכות	קארל סאס	MJB 3
מד מקור	Keithley	2614B
מבנה הטרו-מוליך למחצה	MBE Veeco	מערכת Gen III	MBE פרוסות מגודלות
Wire Bonder	K& S	4524

סופר

מקורות

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

Josephson, B. D. Possible new effects in superconductive tunneling. Physics Letters. 1, 251-253 (1962).
Mukhanov, O. A. Energy-efficient single flux quantum technology. IEEE Transaction on Applied Superconductivity. 21, 760-769 (2011).
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).
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).
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).
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).
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).
Kashiwagi, T., et al. High Temperature Superconductor Terahertz Emitters: Fundamental Physics and Its Applications. Japanese Journal of Applied Physics. 51 (1), 1-14 (2012).
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).
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).
Sand-Jespersen, T., et al. Kondo-Enhanced Andreev Tunneling in InAs Nanowire Quantum Dots. Physical Review Letters. 99, 126603(2007).
Herr, Q. P., et al. Reproducible operating margins on a 72800-device digital superconducting chip. Superconductor Science and Technology. 28, 124003(2015).
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).
Giazotto, F., et al. A Josephson Quantum Electron Pump. Nature Physics. 7, 857-861 (2011).
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).
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).
Mourik, V., et al. Signatures of Majorana fermions in hybrid superconductor-semiconductor nanowire devices. Science. 336, 1003-1007 (2012).
Chang, W., et al. Hard gap in epitaxial semiconductor-superconductor nanowires. Nature Nanotechnology. 10, 1038(2014).
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).
Deng, M. T., et al. Majorana bound state in a coupled quantum-dot hybrid-nanowire system. Science. 354, 1557-1562 (2016).
Gül, Ö, et al. Hard Superconducting Gap in InSb Nanowires. Nano Letters. 17 (4), 2690-2696 (2017).
Nichele, F., et al. Scaling of Majorana Zero-Bias Conductance Peaks. Physical Review Letters. 119, 136803(2017).
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).
Delfanazari, K., et al. Induced superconductivity in indium gallium arsenide quantum well. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 459, 282-284 (2018).
Delfanazari, K., et al. On-chip hybrid Superconducting-Semiconducting Quantum Circuit. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 28, 4(2018).
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).
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).
Beenakker, C. W. J. Random-matrix theory of quantum transport. Review Modern Physics. 69, 731(1997).

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Quantum Integrated Circuits Superconducting Two Dimensional Electron Gas Josephson Junctions Proximity Induced Superconductivity Photolithographic Fabrication Electron Beam Lithography Niobium Electrodes Indium Gallium Arsenide Dilution Refrigerator Coherent Quantum Transport

שילוב מדרגי של מעגלים קוונטית משולבים בפלטפורמת גז אלקטרונים דו מימדית

במאמר זה

סיכום

תקציר

מבוא

פרוטוקול

תוצאות

דיון

גילויים

תודות

חומרים

מקורות

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

מאמרים קשורים