Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

सुपरक्सेशनल इलेक्ट्रॉन गैस प्लेटफार्म पर स्केलेबल क्वांटम एकीकृत सर्किट

Published: August 2, 2019 doi: 10.3791/57818
Automatic Translation
1,2, 2, 2, 2, 2, 3, 4, 2,5, 2, 1, 1,2, 2
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

Summary

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.

Abstract

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.

Introduction

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।

Protocol

नोट: अर्धचालक विषम संरचना और संकर एस एस एस एम जोसेफसन जंक्शन निर्माण प्रस्तुत कर रहे हैं.

1. अर्धचालक विषम संरचना निर्माण

नोट: आण्विक किरण epitaxy (MBE)0.75Ga0.25में उगाया क्वांटम कुओं इस अध्ययन में उपयोग किया जाता है23,24,25,26. चित्र 1 अलग परतों के अनुक्रम को दर्शाया गया है:

  1. एक 500 डिग्री मीटर मोटी, 3 इंच अर्द्ध इन्सुलेट (001) GaAs सबस्ट्रेट साफ और उच्च तापमान में ऑक्साइड परत को हटा दें (200 डिग्री सेल्सियस से ऊपर)26.
  2. 580 डिग्री सेल्सियस पर वृद्धि के तापमान को समायोजित करें और 50/75/250 एनएम26की मोटाई के साथ GaAs/AlAs/GaAs फिल्मों की बफर परत को बढ़ाएं।
  3. 20 मिनट के लिए सब्सट्रेट तापमान नीचे रैंप और फिर टी $ 416, 390, 360, 341, 331 और 337 डिग्री सेल्सियस26के सब्सट्रेट तापमान शुरू करने पर एक 1300 एनएम मोटाई के साथ InAlAs के एक कदम ग्रेड बफर परत हो जाना ।
  4. 0.75गा0.25में 30 एनएम मोटी वृद्धि के रूप में क्वांटम अच्छी तरह से 2DEG थोड़ा अधिक सब्सट्रेट तापमान26पर .
  5. एक 60 एनएम के साथ अच्छी तरह से कवर 2DEG क्वांटममें 0.75अल0.25के रूप में, और फिर मॉडुलन एक n-प्रकार की एक 15 एनएम मोटी द्वारा वेफर डोप0.75अल0.25के रूप में. इससे अंधेरे में26लोगों की चालकता का आश्वासन मिलेगा .
  6. 0.75अल0.25में एक 45 एनएम ग्रो 2 एनएम26की मोटाई के साथ InGaAs की एक टोपी परत के बाद परत के रूप में.
  7. शबनको-दे हास दोलनों तथा हॉल प्रभाव का मापन करके इलेक्ट्रॉन घनत्व (दै) तथा गतिशीलता (ज ) ताप तर् 1ण्5 छ26है । परिवहन मापन से यह अनुमान लगाया गया था कि दद2ण्24 1011 (cm-2) औरर्े े ेे े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े े -2) औररोशनी के बाद 2.58 डिग्री 105 (सेमी2/

2. दो आयामी जोसेफसन जंक्शन निर्माण

नोट: यहाँ दो अलग-अलग दृष्टिकोणों के साथ संकर क्यूआईसी की निर्माण प्रक्रिया पर चर्चा की गई है23,24,25. डिवाइस 1 आठ समान लंबे जोसेफसन जंक्शनों के साथ केवल photolithgraphy प्रसंस्करण के कुछ कदम के साथ निर्मित किया गया था. दूसरी डिवाइस निर्माण प्रक्रिया जेजे के गठन के लिए डिवाइस 1 के समान थी जो ई-बीम-लिथोग्राफी का उपयोग किया गया था।

  1. AutoCad सॉफ्टवेयर25का उपयोग करके मेसा और ओमिक पैटर्न सहित JJ और QIC डिवाइस लेआउट, स्केच. परत चयनकर्ता मेनू बनाने के लिए उपयुक्त परतों का चयन करके आरेखण प्रारंभ करें. स्वरूप से एक नई परत बनाएँ ] AutoCad सॉफ्टवेयर में परत.
  2. फोटोलिथोग्राफी मास्क डिजाइन और बनाना। सॉफ्टवेयर में पैनल मेनू से वांछित आकार और geometries चुनें. JJs (यानी, आयतों, वर्गों) के वांछित आकार पर क्लिक करें और आकार आरंभ करने के लिए ड्राइंग विंडो धक्का (अधिक जानकारी के लिए Autocad सॉफ्टवेयर मदद मेनू में क्लिक करें).
  3. वेफर पर photoresist विकसित करने के बाद, JJ और QICs डिजाइन पैटर्न, और एमसा संरचनाओं बनाने के लिए सक्रिय क्षेत्र के रूप में कार्य करने के लिए (चित्र 1में उठाया क्षेत्र) एच2SO4के एसिड समाधान में गीला etch द्वारा: एच2ओ2 : (1:8:1000)23,24,25. 30 s के लिए DI पानी में डिवाइस कुल्ला और फिर नाइट्रोजन गैस के साथ सूखी.
  4. DEKTAK सतह profiler23,24,25द्वारा $ 150 एनएम की एक etch गहराई सुनिश्चित करें .
  5. फार्म ओमी संपर्कों, धातु और 2DEG के बीच बिजली के संपर्क बनाने के लिए, वेफर के शीर्ष पर photoresist कताई और फिर एक फोटो-मास्क के माध्यम से यूवी प्रकाश के लिए जोखिम द्वारा. एमएफ-319 में प्रतिरोध का विकास 1 मिनट के लिए एक पतली परत जमा करें, 50 एनएम और 100 एनएमसोने के बीच /
  6. Etch एक ज़ु2012 140 एनएम सक्रिय क्षेत्र के शीर्ष पर गहरी खाई या तो photolithographically (डिवाइस 1) या ई बीम लिथोग्राफी द्वारा 2 D JJ फार्म (डिवाइस 2) पैटर्न और ऊपर वर्णित एसिड में गीला etching (जेजे ओमी संपर्कों से दूर का गठन किया जाना चाहिए, की एक दूरी 100 उ, यह सुनिश्चित करने के लिए कि इस भाग के सामान्य इलेक्ट्रॉन संधि के अंतराफलकों को प्रभावित न करें)23,24,25.
  7. Sputter a u2012130 nm superconducting Nb फिल्म के रूप में Nb-In0.75Ga0.25As-Nb JJs (डीसी मैग्नेटरॉन द्वारा अर प्लाज्मा में sputtering),
  8. 10/50 एनएम मोटी Ti/Au फिल्मों बिजली के संपर्क और परिवहन माप प्रयोजनों के लिए जमा करें।
  9. स्थानांतरण और जीई वार्निश का उपयोग करके मानक leadless चिप वाहक (LCC) पर डिवाइस लोड, और सोने के तारों का उपयोग करके डिवाइस और LCC पैड के बीच बिजली के संपर्क बनाते हैं.
  10. एक 3वह cryostat या परिवहन माप के लिए कमजोर पड़ने रेफ्रिजरेटर में उपकरणों लोड.

Representative Results

चित्र 2 एक डिवाइस 1 की स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) छवि से पता चलता है. 20 बिजली के तारों के साथ एक क्वांटम सर्किट देखा जा सकता है. डिजाइन एक फ्रिज शांत नीचे में एक चिप पर एक या JJ के JJs की श्रृंखला की माप की अनुमति देता है. ई-बीम लिथोग्राफी द्वारा निर्मित डिवाइस 2 के परिपथ पर एक संधि की SEM छवि चित्र 2खमें दर्शायी गई है। नब-इन0ण्75ग0ण्25आस-नब संधि के प्रत्येक भाग में दो नब फिल्मों के बीच की दूरी सबसे कम पथ पर ल$ 550 दउ है। चित्र 2 ग डिवाइस 1 के एक संधि के SEM छवि को दर्शाता है- जो प्रकाश-लिथोग्राफी तःगढ़ीय रूप से निर्मित है। यहाँ, दो नब इलेक्ट्रोड ले 850 दउ की दूरी से पृथक होते हैं।

गोरा-टिंखम-Klapwizk (BTK) सिद्धांत संकर एस-एसएम जंक्शनों27में क्वांटम परिवहन का वर्णन करने के लिए एक स्वीकार्य मॉडल है। अर्धचालक 2DEG में अतिचालक आदेश मापदंडों का प्रभाव एक nonlinear अंतर चालकता में परिणाम. कम तापमान पर, वहाँ दो संभव प्रतिबिंब तंत्र Nb-In0.75Ga0.25इंटरफेस के रूप में कर रहे हैं: सामान्य प्रतिबिंब जो इंटरफ़ेस और Andreev प्रतिबिंब है, जो दो प्रभारी पहुंचाता के माध्यम से कोई आरोप संचरण का कारण बनता है क्वांटा 2ई, एक छेद23,24,25के पुनरून्परन के साथ . के रूप में superconducting संघनित स्पिन एकल कूपर जोड़े के होते हैं, परिलक्षित छेद आने वाले इलेक्ट्रॉन के रूप में विपरीत स्पिन है. इन दोनों प्रक्रियाओं का कार्टून आरेख क्रमशः28 चित्र 3ंबमें दर्शाया गया है।

यदि डब् और में0ण्75ग0ण्25के बीच का अंतराफलक पारदर्शी नहीं है तो सामान्य तथा आंद्रीव दोनों का सह-अस्तित्व इलेक्ट्रॉनों परावर्तित होता है। इस प्रकार, प्रतिरोध बढ़ता है और अंतराल के भीतर एक शून्य-पक्षी शिखर बनता है। हमारे जंक्शनों में डीवी/डीआई (वीएसडी) में इस प्रकार की अंतर शिखर नहीं देखी जाती है। तथापि, एक सजातीय तथाअवरोध मुक्त ( र्00) के लिए Nb फिल्म तथा0ण्75ग0ण्25संपर्क के बीच अंतराफलक के रूप में सभी घटना इलेक्ट्रॉनों को आंद्रेव परावर्तन से गुजरना पड़ता है। ऐसी स्थिति में इलेक्ट्रॉन तथा छिद्र जैसे अर्धकणों के सहसंबंधों के कारण संधि में एक अतिरिक्त धारा-इ exc बनता है। अतः अंतराल के भीतर अंतर प्रतिरोध कम हो जाता है और डीवी/डीआई (वीएसडी) में एक सपाट यू-आकार की डुबकी देखी जाती है। BTK मॉडल के अनुसार, यह अनुमान लगाया जा सकता है कि कोई सुरंग बाधा Nb-In0.75Ga0.25पर गठन दोनों उपकरणों के इंटरफेस के रूप में. इस कारण हमारे जंक्शनों23,24,25में अवरोध की संख्या 0.2 होने का अनुमान है।

निकटता प्रभाव के कारण, सन्तमें लगभग ख्00 जव तथा 650 डिग्री सेल्सिया का प्रेरित अंतराल क्रमशः 1 तथा 2 उपकरणों में मापा जाता है। तापमान निर्भरता स्पष्ट उपहारमोनिक ऊर्जा अंतराल संरचनाओं के साथ अतिचालक अंतराल प्रेरित (एसजीएस) चोटियों और डिवाइस 1 के लिए डुबकी चित्र 4एकमें दिखाए गए हैं। एन बी-इन0.75गा0ण्25के इंटरफेस पर एकाधिक आंद्रेव प्रतिबिंब (MAR) अंतर चालकता में एसजीएस के अवलोकन में परिणाम के रूप में जंक्शन के रूप में. सबसे कम मापा तापमान टीपर 50 mK (लाल वक्र), एसजीएस तीन चोटियों के साथ प्रकट होता है (P1, P2 और P3 के रूप में नाम) और तीन dips (d1, d2 और d3 के रूप में नाम). ताप वृद्धि के साथ प्रेरित अतिचालकता के दमन के कारण चोटियों और डुबकी का ताप विकास चित्र 4खमें दर्शाया गया है . SGS शिखर पदों अभिव्यक्ति V का पालन [ 2] / ne ([ Nb अंतराल ऊर्जा है, n ] 1, 2, 3, ... एक पूर्णांक है, और म् इलेक्ट्रॉन आवेश है: च्1, च्2, च्3 तथा च्4 पद लगभग 2$/3e, 2]/4e, 2]/6e तथा प्रेरित अंतराल किनारे के अनुरूप हैं परंतु डिप स्थितियों में अभिव्यंजना का पालन नहीं होता है। सभी सुविधाओं को काफी तापमान पर निर्भर कर रहे हैं, और सबसे मजबूत (कमजोर) एसजीएस चोटियों (डिप्स) टीपर मनाया जाता है $ 50 mK (800 mK). यह उल्लेखनीय है कि टीसे ऊपर के तापमान पर भी 500 mK जहां supercurrent अब नहीं देखा जा सकता है, एसजीएस मनाया जाता है, लेकिन यह टीपर गायब हो जाता है gt; 800 mK- जब प्रेरित अतिचालकता बाहर धोया जाता है.

आठ 2D JJs की सरणी के साथ इस डिवाइस के लिए, 7 जंक्शनों में से 4 में,0.75Ga0.25में एक कठिन प्रेरित superconducting अंतर के रूप में 2DEGपायागया 23,24. तथापि, तीन जंक्शनों में एक नरम अंतराल हस्ताक्षर दिखाई दिए और न ही डिवाइस और पैड के बीच तार संपर्क विफलता के कारण अंतिम जंक्शन के लिए न तो एक कठोर और न ही एक नरम अंतराल संरचना देखी गई।

अनुप्रयुक् त वीएसडी वोल्टता तथा 2 उपकरण के ताप के एक फलन के रूप में अतिचालक अंतराल चित्र 5कमें दर्शाया गया है। इस उपकरण को 3हे क्रायोस्टैट पर मापा गया था, जिसका आधार ताप ट280 उ.मी. ताप एवं चुंबकीय क्षेत्र परनिर्भरता एँ- उपकरण 2 के परिवहन माप इन-गैप अथवा उप-गैप दोलनों का कोई संकेत नहीं दिखाते हैं जो युक्ति 1 के लिए प्रेक्षित होते हैं (चित्र 5क, खदेखें). यह जंक्शन के तीर के आकार की ज्यामिति के कारण हो सकता है जो MAR के विनाशकारी हस्तक्षेप का कारण बन सकता है। इस तरह की सुविधाओं अंतर चालकता में प्रकट हो सकता है अगर डिवाइस बहुत कम तापमान पर मापा जाता है (कमजोर फ्रिज आधार तापमान). प्रेरित अंतर दबा दिया और शून्य वोल्टेज पूर्वाग्रह की ओर ले जाया गया है और उनके आयाम लागू तापमान और चुंबकीय क्षेत्र के आगे बढ़ने के साथ कम हो.

Figure 1
चित्र 1 . में0.75गा0.25As/In0.75Al0.25As/GaAs heterostructure. विषमसंधि का योजनाबद्ध दृश्य जहां एक में0.75गा0ण्25के रूप में क्वांटम के साथ अच्छी तरह से 30 एनएम मोटाई का गठन किया है u2012120 एनएम वेफर सतह के नीचे. Nb superconducting संपर्कों के रूप में इस्तेमाल किया गया था (काले रंग में दिखाया गया) एक संकर और बैलिस्टिक Nb-In0.75Ga0.25के रूप में 2DEG-Nb Josephson जंक्शन. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2 : ऑन-चिप हाइब्रिड अतिचालक-सेमीचालक क्वांटम सर्किट। (क) QICs डिवाइस के SEM छवि 20 नियंत्रण तारों के साथ एक क्वांटम सर्किट के एक शीर्ष दृश्य दिखा रहा है, और एक चिप पर 8 planar और सममित JJ. Nb-In0.75Ga0.25As-Nb JJs के साथ एक में0.75गा0.25के रूप में 2DEG अंतराल लंबाई के एल$ 550 एनएम और 850 एनएम के लिए ई-बीम लिथोग्राफी (बी) और photolithgraphically (ग ) गढ़े जंक्शनों के साथ . कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3 . संकर अतिचालक-सेमीचालक जंक्शनों में सामान्य और आंद्रेव कुछ विचार। (ं) अंतराफलक के माध्यम से कोई आवेश संचरण के साथ विशिष्ट अर्धकण परावर्तन। (ख) आंद्रीव परावर्तन जबकि आवक इलेक्ट्रॉन विपरीत स्पिन उप-बैंड में एक छिद्र के रूप में परावर्तित होता है तथा 2एवे को अतिचालक इलेक्ट्रोड में अंतरित करते हैं। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्र 4 . प्रेरित अतिचालकता और एसजीएस में0.75गा0.25फोटोलिथोग्राफीत रूप से निर्मित जंक्शन में क्वांटम कुओं के रूप में. (क) अनेक आंद्रेव प्रतिबिंबों के कारण स्पष्ट एसजीएस चोटियों के साथ अतिचालक अंतराल को प्रेरित करता है। एसजीएस और प्रेरित अंतराल किनारे चोटियों, P1 से P4 के लिए चिह्नित कर रहे हैं, जबकि एसजीएस dips d1 से d3 के लिए चिह्नित कर रहे हैं. (ख) एसजीएस शिखर और डुबकी में दिखाया गया है (क) तापमान के एक समारोह के रूप में. एसजीएस टीgt और 400 mK शून्य पूर्वाग्रह की ओर एक बदलाव के लिए अग्रणी पर काफी दबा रहे हैं। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्र 5 . ई-बीम लिथोग्राफीत रूप से निर्मित जंक्शनों में प्रेरित अतिचालकता का तापमान और चुंबकीय क्षेत्र निर्भरता। (क) प्रेरित अतिचालक अंतराल बनाम अनुप्रयुक्त स्रोत-ड्रेन वोल्टता वीएसडी 300 उK और 1ण्5 K के बीच के तापमान पर। वक्र स्पष्टता के लिए खड़ी ऑफसेट कर रहे हैं. (ख ) टसD के एक फलन के रूप में रंग-कोडेड विभेदीय प्रतिरोध तथा टर् 300 उ.उ. में लंबवत चुंबकीय क्षेत्र। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Discussion

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 ।

Disclosures

लेखकों को खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.

Acknowledgments

लेखकों EPSRC से वित्तीय सहायता स्वीकार करते हैं, MQIC अनुदान.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

इंजीनियरिंग अंक 150 दो आयामी जोसेफसन जंक्शनों क्वांटम प्रसंस्करण क्वांटम एकीकृत सर्किट संकर superconductor-सेमीकंडक्टर उपकरणों topological superconductivity मेजराना उपकरणों
सुपरक्सेशनल इलेक्ट्रॉन गैस प्लेटफार्म पर स्केलेबल क्वांटम एकीकृत सर्किट
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Delfanazari, K., Ma, P., Puddy, R.,… More

Delfanazari, K., Ma, P., Puddy, R., Yi, T., Cao, M., Gul, Y., Richardson, C. L., Farrer, I., Ritchie, D., Joyce, H. J., Kelly, M. J., Smith, C. G. Scalable Quantum Integrated Circuits on Superconducting Two-Dimensional Electron Gas Platform. J. Vis. Exp. (150), e57818, doi:10.3791/57818 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter