Kvantintegrerade kretsar (QICs) bestående av array av planar och ballistiska Josephson korsningar (JJs) baserat på i0,75ga0,25som tvådimensionell ELEKTRON gas (2deg) demonstreras. Två olika metoder för tillverkning av den tvådimensionella (2D) JJs och QICs diskuteras följt av demonstration av kvantmekaniska transport mätningar i sub-Kelvin temperaturer.
För att bilda en sammanhängande kvanttransport i hybrid supraledare-halvledare (S-SM) korsningar, är bildandet av ett homogent och barriär-fritt gränssnitt mellan två olika material nödvändigt. S-SM korsningen med hög gränssnitt öppenhet kommer sedan att underlätta observation av den inducerade hårda supraledande gap, som är det viktigaste kravet att få tillgång till topologiska faser (TPs) och observation av exotiska kvasipartiklar såsom Majorana Zero (MZM) i hybridsystem. En material plattform som kan stödja observation av TPs och möjliggör förverkligandet av komplexa och förgrenade geometrier är därför mycket krävande inom kvantbearbetning och datavetenskap och teknik. Här introducerar vi ett tvådimensionellt material system och studerar närhets inducerade supraledning i semidirigering tvådimensionell elektron gas (2DEG) som är grunden för en hybrid Quantum integrerad krets (QIC). Den 2DEG är en 30 Nm tjock i0,75ga0,25som Quantum brunn som är begravd mellan två i0,75Al0,25som barriärer i en heterostructure. Niob (NB) filmer används som supraledande elektroder för att bilda NB-in0,75ga0,25as-NB Josephson korsningar (jjs) som är symmetriska, planar och ballistiska. Två olika metoder användes för att bilda JJs och QICs. De långa korsningar var fabricerade photolithografiskt, men e-beam litografi användes för korta korsningar tillverkning. De sammanhängande kvantmekaniska transport mätningarna som en funktion av temperaturen i närvaro/frånvaro av magnetfält B diskuteras. I både enhet Fabrication metoder, närhets inducerade supraledande egenskaper observerades i i0,75ga0,25som 2deg. Det konstaterades att e-beam litografiskt mönstrade JJs av kortare längder resultera i observation av inducerad supraledande gap vid mycket högre temperaturområden. De resultat som är reproducerbara och rena tyder på att hybrid 2D JJs och QICs bygger på i0,75ga0,25som Quantum Wells kan vara en lovande material plattform för att förverkliga den verkliga komplexa och skalbara elektroniska och fotoniska Quantum kretsar och enheter.
En Josephson Junction (JJ) bildas genom att sandwiching ett tunt skikt av en icke-supraledande (normalt) material mellan två supraledare1. Olika roman Quantum elektroniska och fotoniska kretsar och enheter kan byggas baserat på jjs2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14,15,16. Bland dem, JJs med halvledare som deras icke-supraledande (normal) del, eller supraledare-halvledare-supraledare (S-SM-S) JJs, har fått mycket uppmärksamhet under de senaste åren efter påstådd upptäckt av exotiska Majorana partiklar med noll elektriska laddningar vid gränssnittet för en supraledare och en semidirigering endimensionell (1d) nanowire17,18,19,20,21, 22. nanowire-baserade hybridenheter är begränsade till 1d geometri nanowire och tillverkning av Y och/eller T-strukturer ur dem-ett nödvändigt krav för Majorana fläta-är utmanande22. Den finjustering av nanowire kemiska potential, för att få tillgång topologiska faser, kräver JJs med flera elektrostatiskt grindar som orsakar en hel del frågor i komplexa enhet tillverkning av nanotrådar. För att övervinna skalbarhets frågor av 1d trådar, två-dimensionell (2D) material plattformar är mycket önskvärt19,22.
Bland 2D-material, den tvådimensionella elektron gas (2DEG) plattform-former när elektroner är begränsade till ett gränssnitt mellan två olika material i en halvledare heterostruktur-är den mest lovande kandidaten22. Kombinationen av 2DEG med supraledare och bildar hybrid 2D JJs öppnar en ny väg mot utvecklingen av nästa generations skalbara kvantsystem som topologisk Quantum Processing and Computing. De kan stödja fas sammanhängande Quantum transport, och närhet inducerad supraledning med hög överföring sannolikhet, som är grundläggande krav för topologisk fas observation. I detta avseende visar vi en QIC på ett chip som består av ett utbud av ballistiska 2D JJs som kan styras av 20 trådar. Varje korsning har två NB elektroder som supraledande del och i0,75ga0,25som kvantbrunnar i en halvledande halvledarkontakter som den normala delen. Den wafer kan lätt mönstrat för att bilda komplexa strukturer och nätverksanslutna QICs.
Fördelarna med i0,75ga0,25som 2deg inkluderar: (i) relativt stor g-faktor, (II) stark rashba spin-Orbit koppling, (III) den låga elektron effektiv massa, och (IV) att indium sammansättningen kan justeras så att bildandet jjs med hög gränssnitts genomskinlighet23,24,25. Den wafer kan odlas som en disk på upp till 10 cm dimeter, vilket gör att tillverkningen av tusentals hybrid 2D JJs och komplexa QICs nätverk så övervinna skalbarheten utmaningar av dessa Quantum enheter.
Vi diskuterar två olika metoder för anordning Fabrications: för enhet 1, en krets som innehåller åtta identiska och symmetriska jjs av 850 nm längd och 4 μm bredder är mönstrade av Photolithography23,24. Enheten 2 innehåller åtta korsningar med olika längder. De har alla samma bredd på 3 μm. Den JJs är mönstrad av e-BAM litografi25. Transport mätningar på sub-Kelvin temperaturområden i frånvaro/förekomst av magnetfält kommer att presenteras. On-chip QICs består av ett utbud av 2D NB-in0,75ga0,25as-NB jjs. De långa och korta korsningar mäts i en utspädning kylskåp med en bas temperatur på 40 mK och vätska 3han kylda kryostat med en bas temperatur på 300 MK, respektive. Enheter är vinklade med en AC-signal på 5 μV vid 70 Hz som är ovanpå korsningen DC spänning bias. En två-Terminal standard Lås-in teknik används för att mäta enhetens utgång AC-ström23,24,25.
On-chip QICs består av en rad JJs baserade på supraledande indium gallium Arsenid (i0,75ga0,25as) kvantbrunnar visades. Två viktiga utmaningar med Hybrid S-SM-materialsystem som skalbarhet och gränssnitts genomskinlighet åtgärdades. Två kritiska steg gnäll protokollet inklusive tillväxt av hög kvalitet och hög rörlighet i0,75ga0,25som tvådimensionell elektron gas i halvledande heterostrukturer och närhet inducerad SUPRALEDNING i 2deg var diskuteras23,24,25.
Tillväxt på i0,75ga0,25som med steg-graderade buffertlager i GaAs substrat och även bildandet av homogena och barriär-fria gränssnitt mellan supraledare och halvledare är ett viktigt steg i en sådan hybrid 2D Quantum krets Utveckling. Det visades att med noggrann etsning av finfördelat supraledande film kan göra mycket transparenta kontakter i0,75ga0,25som kvantbrunnar vilket resulterar i detektering av inducerad supraledande gap i halvledare23 , 24 , 25.
Betydelsen med avseende på befintliga metoder är att den presenterade tekniken för 2D hybrid JJs och krets förverkligande inte kräver InSitu deposition av supraledare på halvledare i en MBE kammare efter halvledar tillväxten har färdigställda23,24,25. Den andra betydelsen är att heterostrukturfotoniska wafer kan odlas som ett skrivbord på upp till 10 cm diameter, vilket gör att tillverkningen av tusentals hybrid 2D korsningar och kretsar, så övervinna skalbarheten utmaningar Hybrid S-SM Quantum kretsar och enheter 22 , 23 , 24 , 25.
Den inducerade supraledning i kvantbrunnar, SGS på differentiell värmeledningsförmåga av 2D korsningar, och fasen sammanhängande ballistiska Quantum transport mätt i våra korsningar starkt tyder på att hybrid 2D korsningar och kretsar baserade på supraledande i 0,75 Ga0,25som 2deg råd lovande material system för skalbar Quantum bearbetning och datateknik. Vårt tillvägagångssätt kan öppna en ny väg mot kvantteknik och hjälper till att bana väg för utvecklingen av on-chip topologiska kvantkretsar för att realisera nästa generations kvantprocessorer23,24,25.
The authors have nothing to disclose.
Författarna erkänner ekonomiskt stöd från EPSRC, Grant MQIC.
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 |