क्वांटम एकीकृत सर्किट (QICs) समतल और बैलिस्टिक जोसेफसन जंक्शनों की सरणी से मिलकर (JJs)0.75Ga0.25के आधार पर दो आयामी इलेक्ट्रॉन गैस (2DEG) के रूप में प्रदर्शन किया है. दो आयामी (2 डी) JJs और QICs के निर्माण के लिए दो अलग अलग तरीकों उप केल्विन तापमान में क्वांटम परिवहन माप के प्रदर्शन के बाद चर्चा कर रहे हैं.
संकर अतिचालक-सेमीकंडक्टर (एस-एसएम) जंक्शनों में सुसंगत क्वांटम परिवहन बनाने के लिए दो विभिन्न सामग्रियों के बीच सजातीय और अवरोध मुक्त अंतराफलक का निर्माण आवश्यक है। उच्च इंटरफ़ेस पारदर्शिता के साथ एस-एसएम जंक्शन फिर प्रेरित हार्ड अतिचालक अंतर के अवलोकन की सुविधा प्रदान करेगा, जो शीर्षागत चरणों (टीपीएस) और मेजराना शून्य जैसे विदेशी अर्धकणों के अवलोकन तक पहुंचने की कुंजी आवश्यकता है संकर प्रणालियों में मोड (एमजेडएम)। एक सामग्री मंच है कि TPs के अवलोकन का समर्थन कर सकते हैं और जटिल और branched geometries की प्राप्ति की अनुमति देता है इसलिए अत्यधिक क्वांटम प्रसंस्करण और कंप्यूटिंग विज्ञान और प्रौद्योगिकी में मांग कर रहा है. यहाँ, हम एक द्वि-आयामी सामग्री प्रणाली का परिचय देते हैं और अर्धचालक द्वि-आयामी इलेक्ट्रॉन गैस (2DEG) जो एक संकर क्वांटम एकीकृत परिपथ (QIC) का आधार है, में निकटता प्रेरित अतिचालकता का अध्ययन करते हैं। 2DEG एक 30 एनएम मोटी में0.75गा0.25के रूप में क्वांटम अच्छी तरह से है कि दो में दो के बीच दफन है0.75अल0.25एक विषम संरचना में बाधाओं के रूप में. Niobium (Nb) फिल्मों superconducting इलेक्ट्रोड के रूप में उपयोग किया जाता है के रूप में बनाने के लिए Nb-में 0.75Ga0.25के रूप में -Nb जोसेफसन जंक्शनों (JJs) कि सममित, समतल और बैलिस्टिक हैं. दो अलग अलग दृष्टिकोण JJs और QICs बनाने के लिए इस्तेमाल किया गया. लंबे जंक्शनों का निर्माण फोटोलिथोग्राफी के आधार पर किया गया था, लेकिन छोटे जंक्शनों के निर्माण के लिए ई-बीम लिथोग्राफी का उपयोग किया गया था। चुंबकीय क्षेत्र B की उपस्थिति/अभाव में ताप के एक फलन के रूप में सुसंगत क्वांटम परिवहन माप पर चर्चा की जाती है। दोनों डिवाइस निर्माण दृष्टिकोण में, निकटता प्रेरित superconducting गुण में मनाया गया0.75Ga0.25के रूप में 2DEG. यह पाया गया कि ई-बीम लिथोग्राफिकली कम लंबाई के जेजे के परिणामस्वरूप बहुत अधिक तापमान पर्वतमाला पर प्रेरित अतिचालक अंतराल का अवलोकन होता है। परिणाम है कि reproduible और साफ सुझाव है कि संकर 2 D JJs और QICsमें 0.75गा0.25के आधार पर क्वांटम कुओं असली जटिल और स्केलेबल इलेक्ट्रॉनिक और photonic क्वांटम का एहसास करने के लिए एक आशाजनक सामग्री मंच हो सकता है circuitry और उपकरणों.
जोसफसन जंक्शन (जेजे) दो अतिचालकों के बीच एक गैर-सुपरक्सेक्टिंग (सामान्य) सामग्री की पतली परत को सैंडविच करके बनताहै1। विभिन्न उपन्यास क्वांटम इलेक्ट्रॉनिक और फोटोनिक सर्किट और उपकरणों JJs2,3,4,5,6,7,8के आधार पर बनाया जा सकता है, 9,10,11,12,13,14,15,16. उनमें से, उनके गैर superconducting (सामान्य) भाग, या अतिचालक-सेमीकंडक्टर-सुपरकंडक्टर (एस-Sm-एस) JJs के रूप में अर्धचालक के साथ जेजे, के साथ विदेशी मेजराना कणों की कथित पता लगाने के बाद हाल के वर्षों में बहुत ध्यान प्राप्त किया है एक अतिचालक और एक अर्धचालक एक आयामी (1 डी) नैनोवायर17,18,19,20,21के इंटरफेस पर शून्य विद्युत प्रभार, 22.Nanowire आधारित संकर उपकरणों नैनोवायर के 1D ज्यामिति तक सीमित हैं और वाई और / Topological चरणों तक पहुँचने के लिए नैनोवायर की रासायनिक क्षमता के ठीक ट्यूनिंग, कई इलेक्ट्रोस्टैटिकली फाटकों जो नैनोवायर्स से बाहर जटिल डिवाइस निर्माण में मुद्दों की काफी एक बहुत का कारण बनता है के साथ जेजे की आवश्यकता है। 1D तारों की मापनीयता के मुद्दों को दूर करने के लिए, द्वि-आयामी (2D) सामग्री प्लेटफार्म अत्यधिक वांछनीय19,22हैं।
2D सामग्रियों में, द्वि-आयामी इलेक्ट्रॉन गैस (2DEG) मंच -रूप जब इलेक्ट्रॉन अर्धचालक विषमसंरचना में दो विभिन्न सामग्रियों के बीच एक अंतराफलक तक ही सीमित होते हैं- सबसे होनहार उम्मीदवार22है। superconductors के साथ 2DEG के संयोजन और संकर 2 डी जेजे बनाने ऐसे topological क्वांटम प्रसंस्करण और कंप्यूटिंग के रूप में अगली पीढ़ी स्केलेबल क्वांटम प्रणालियों के विकास की दिशा में एक नया अवसर खोलता है. वे चरण सुसंगत क्वांटम परिवहन का समर्थन कर सकते हैं, और उच्च संचरण संभाव्यता के साथ निकटता प्रेरित अतिचालकता, जो शीर्षशास्त्रीय चरण अवलोकन के लिए मौलिक आवश्यकता है। इस संबंध में, हम 20 तारों द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है कि बैलिस्टिक 2 डी JJs की सरणी के होते हैं जो एक चिप पर एक क्यूआईसी प्रदर्शित करते हैं. प्रत्येक संधि में अतिचालक भाग के रूप में दो एन बी इलेक्ट्रोड होते हैं तथा0ण्75गा0ण्25में सामान्य भाग के रूप में अर्धचालक विषमसंधि में क्वांटम कूप होते हैं। वेफर आसानी से जटिल संरचनाओं और नेटवर्क QICs फार्म पैटर्न किया जा सकता है.
0ण्75ग0ण्25के लाभों में निम्नलिखित 2DEG शामिल हैं: (i) अपेक्षाकृत बड़े जी-कारक, (पप) प्रबल राशिबा स्पिन-ऑर्बिट युग्मन, (पप) निम्न इलेक्ट्रॉन प्रभावी द्रव्यमान, और (पप) कि इनडियम संरचना को गठन की अनुमति देने के लिए ट्यून किया जा सकता है उच्च इंटरफ़ेस पारदर्शिता के साथ जेजे की23,24,25. वेफर अप करने के लिए 10 सेमी dimeter की एक डिस्क के रूप में उगाया जा सकता है, संकर 2 डी जेजे और जटिल QICs नेटवर्क के हजारों के निर्माण की अनुमति तो इन क्वांटम उपकरणों की scalability चुनौतियों पर काबू पाने.
हम उपकरण निर्माण के लिए दो अलग अलग दृष्टिकोण पर चर्चा: डिवाइस 1 के लिए, एक सर्किट जो आठ समान और 850 एनएम लंबाई के सममित JJ और 4 डिग्री मीटर चौड़ाई photolithography23,24द्वारा पैटर्न हैं शामिल हैं. डिवाइस 2 अलग लंबाई के साथ आठ जंक्शनों भी शामिल है. वे सब 3 डिग्री मीटर की एक ही चौड़ाई है. जेजे ई-बम लिथोग्राफी25द्वारा पैटर्न हैं। चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति/उपस्थिति में उप-केल्विन तापमान पर्वतमाला पर परिवहन माप प्रस्तुत किया जाएगा। पर चिप QICs 2 D Nb-0.75गा0.25के रूप में -Nb JJs की सरणी के होते हैं. लंबे और छोटे जंक्शनों को एक कमजोर पड़ने फ्रिज में 40 mK के आधार तापमान और तरल 3वह ठंडा cryostat के साथ एक आधार तापमान के साथ मापा जाता है 300 mK, क्रमशः. उपकरण 70 भ्भ् पर 5 े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े डिवाइस आउटपुट ac-वर्तमान23,24,25को मापने के लिए एक दो-टर्मिनल मानक लॉक-इन तकनीक का उपयोग किया जाता है।
पर चिप QICs पर आधारित JJ की एक सरणी superconducting indium gallium arsenide (में0.75Ga0.25के रूप में) क्वांटम कुओं का प्रदर्शन किया गया. संकर एस-एसएम सामग्री प्रणालियों की दो महत्वपूर्ण चुनौतियों जैसे मापनीयता और अंतरापारेषणता को संबोधित किया गया। दो महत्वपूर्ण कदम उच्च गुणवत्ता और उच्च गतिशीलता के विकास सहित प्रोटोकॉल whining0.75Ga0.25के रूप में दो आयामी इलेक्ट्रॉन गैस semiconducting heterostructures में और निकटता प्रेरित 2DEG में अतिचालकता थे चर्चा23,24,25.
0.75ग0.25में वृद्धि GaAs सब्सट्रेट में कदम ग्रेड बफर परतों के साथ के रूप में और भी अतिचालक और अर्धचालक के बीच सजातीय और बाधा मुक्त इंटरफेस के गठन ऐसे संकर 2 डी क्वांटम सर्किट में एक महत्वपूर्ण कदम है विकास. यह प्रदर्शित किया गया था कि सावधानी से खोदकर sputtered superconducting फिल्म में अत्यधिक पारदर्शी संपर्क कर सकते हैं0.75Ga0.25क्वांटम कुओं के रूप में अर्धचालकों में प्रेरित superconducting अंतर का पता लगाने में जिसके परिणामस्वरूप23 , 24 , 25.
मौजूदा तरीकों के संबंध में महत्व यह है कि 2 डी संकर JJs और सर्किट वसूली के लिए प्रस्तुत तकनीक अर्धचालक विकास किया गया है के बाद एक MBE कक्ष में अर्धचालक पर अतिचालक के insitu जमा की आवश्यकता नहीं है पूरा23,24,25. अन्य महत्व यह है कि विषमसंरचना वेफर को 10 सेमी व्यास तक की एक मेज के रूप में उगाया जा सकता है, जिससे हजारों हाइब्रिड 2 डी जंक्शनों और सर्किट के निर्माण की अनुमति दी जा सकती है, इसलिए हाइब्रिड एस-एस एम क्वांटम सर्किट और उपकरणों की मापनीयता चुनौतियों पर काबू पा लिया गया है। 22 , 23 , 24 , 25.
क्वांटम कुओं में प्रेरित अतिचालकता, 2 डी जंक्शनों के अंतर चालकता पर एसजीएस, और हमारे जंक्शनों में मापा चरण सुसंगत बैलिस्टिक क्वांटम परिवहन दृढ़ता से सुझाव है कि संकर 2 डी जंक्शनों और सर्किट superconducting पर आधारित है 0.75 Ga0.25के रूप में 2DEG स्केलेबल क्वांटम प्रसंस्करण और कंप्यूटिंग प्रौद्योगिकियों के लिए आशाजनक सामग्री प्रणाली वहन. हमारा दृष्टिकोण क्वांटम प्रौद्योगिकी की ओर एक नई सड़क खोल सकता है और क्वांटम प्रोसेसरोंकीअगली पीढ़ी को साकार करने के लिए ऑन-चिप टॉपोलॉजिकल क्वांटम सर्किट के विकास का मार्ग प्रशस्त कर सकता है ।
The authors have nothing to disclose.
लेखकों EPSRC से वित्तीय सहायता स्वीकार करते हैं, MQIC अनुदान.
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 |