Quantum integrerte kretser (QICs) bestående av rekke Planar og ballistiske Josephson kryss (JJs) basert på i0,75ga0,25som TODIMENSJONAL elektron gass (2DEG) er demonstrert. To ulike metoder for fabrikasjon av de to-dimensjonale (2D) JJs og QICs diskuteres etterfulgt av demonstrasjon av Quantum transport målinger i sub-Kelvin temperaturer.
For å danne en sammenhengende Quantum transport i hybrid superleder (S-SM) knutepunkter, er dannelsen av et homogen og barriere-fritt grensesnitt mellom to ulike materialer nødvendig. S-SM krysset med høy grensesnitt åpenhet vil da lette observasjonen av indusert hard superledende gap, som er nøkkelen kravet for å få tilgang til topologisk faser (TPs) og observasjon av eksotiske quasiparticles som Majorana null moduser (MZM) i hybride systemer. En materiell plattform som kan støtte observasjon av TPs og gjør det mulig å realisere kompleks og utvidet geometri, er derfor svært krevende i kvante bearbeidings-og databehandlings vitenskap og-teknologi. Her introduserer vi et to-dimensjonal materiale system og studerer nærhet indusert superledning i semiconducting todimensjonal elektron gass (2DEG) som er grunnlaget for en hybrid Quantum integrert krets (QIC). Den 2DEG er en 30 NM tykk i0,75ga0,25som Quantum brønnen som er begravd mellom to i0,75Al0,25som barrierer i en heterostructure. Niobium (NB) filmer brukes som superledende elektroder for å danne NB-i0,75ga0,25AS-NB Josephson veikryss (JJs) som er symmetrisk, Planar og ballistisk. To ulike tilnærminger ble brukt til å danne JJs og QICs. De lange knutepunktene ble fabrikkert photolithographically, men e-Beam litografi ble brukt for korte veikryss ‘ fabrikasjon. Den sammenhengende Quantum transport målinger som en funksjon av temperatur i nærvær/fravær av magnetiske felt B er diskutert. I både enheten fabrikasjon tilnærminger, nærhet indusert superledende egenskaper ble observert i i0,75ga0,25som 2DEG. Det ble funnet at e-Beam lithographically mønstret JJs av kortere lengder resultere i observasjon av indusert superledende gap ved mye høyere temperaturområder. Resultatene som er reproduserbar og ren tyder på at hybrid 2D JJs og QICs basert på i0,75ga0,25som Quantum Wells kan være en lovende materiale plattform for å realisere den virkelige komplekse og skalerbare elektroniske og fotoniske Quantum kretser og enheter.
En Josephson Junction (JJ) er dannet av sandwiching et tynt lag av en ikke-superledende (normal) materiale mellom to superledere1. Ulike romanen Quantum elektroniske og fotoniske kretser og enheter kan bygges basert på JJs2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14,15,16. Blant dem, JJs med halvledere som deres ikke-superledende (normal) del, eller superleder-Semiconductor-superleder (S-SM-S) JJs, har fått mye oppmerksomhet de siste årene etter påstått påvisning av eksotiske Majorana partikler med null elektriske ladninger i grensesnittet til en superleder og en semiconducting en-dimensjonal (1d) Nanowire17,18,19,20,21, 22. Nanowire-baserte hybrid enheter er begrenset til 1d geometri av Nanowire og fabrikasjon av Y og/eller T-strukturer ut av dem-et nødvendig krav for Majorana pyntebånd-er utfordrende22. Det fin innstiller av Nanowire ‘ kjemikalie muligheter, for komme til topologisk faser, behøver JJs med adskillige elektrostatisk portene hvilke anledninger temmelig mange utgaver inne innviklet apparat fabrikasjon ute av nanotråder. For å overkomme Skalerings problemene i 1d-ledninger, er to-dimensjonale (2D) Material plattformer svært ønskelig19,22.
Blant 2D materialer, de to-dimensjonale elektron gass (2DEG) plattform-former når elektroner er begrenset til et grensesnitt mellom to forskjellige materialer i en halvleder heterostructure-er den mest lovende kandidat22. Kombinasjonen av 2DEG med superledere og forming hybrid 2D JJs åpner en ny vei mot utviklingen av neste generasjons skalerbare Quantum systemer som topologisk Quantum prosessering og databehandling. De kan støtte fase sammenhengende Quantum transport, og nærhet indusert superledning med høy overføring sannsynlighet, som er grunnleggende krav for topologisk fase observasjon. I denne forbindelse viser vi en QIC på en chip som består av array av ballistisk 2D JJs som kan styres av 20 ledninger. Hvert veikryss har to NB-elektroder som den superledende delen og i0,75ga0,25som Quantum Wells i en semiconducting heterojunction som den normale delen. Platen kan lett mønstret for å danne komplekse strukturer og nettverksbaserte QICs.
Fordelene med i0,75ga0,25som 2DEG inkluderer: (i) relativt stor g-faktor, (II) sterk Rashba spin-Orbit kopling, (III) den lave elektron effektiv masse, og (IV) at Indium sammensetning kan stilles inn slik at dannelsen av JJs med høy grensesnitt åpenhet23,24,25. Platen kan dyrkes som en disk på opptil 10 cm dimeter, slik at fabrikasjon av tusenvis av hybrid 2D JJs og komplekse QICs nettverk så overvinne skalerbarhet utfordringene i disse Quantum enheter.
Vi diskuterer to ulike tilnærminger for enhet fabrikasjoner: for enhet 1, en krets som inkluderer åtte identiske og symmetriske JJs av 850 NM lengde og 4 μm bredder er mønstret av foto litografi23,24. Enheten 2 har åtte veikryss med ulik lengde. De har alle samme bredde på 3 μm. Den JJs er mønstret av e-Bam litografi25. Transport målingene ved temperaturområder under-Kelvin i fravær/tilstedeværelse av magnetfelt vil bli presentert. Den on-chip QICs består av array av 2D NB-in0,75ga0,25AS-NB JJs. De lange og korte veikryss måles i en fortynning kjøleskap med en base temperatur på 40 mK og væske 3han avkjølt kryostaten med en base temperatur på 300 MK, henholdsvis. Enheter er partisk med et AC-signal på 5 μV ved 70 Hz som er lagt til krysset DC spenning bias. En to-Terminal standard lock-in teknikken brukes til å måle enheten utgang AC-Current23,24,25.
On-chip QICs bestående av en rekke JJs basert på superledende Indium Gallium arsenide (i0,75ga0,25AS) Quantum brønner ble demonstrert. To viktige utfordringer med hybrid S-SM materielle systemer som skalerbarhet og grensesnitt åpenhet ble adressert. To kritiske trinn klynking protokollen, inkludert veksten av høy kvalitet og høy mobilitet i0,75ga0,25som todimensjonal elektron gass i semiconducting heterostructures og nærhet indusert superledning i 2DEG var diskutert23,24,25.
Vekst av i0,75ga0,25som med trinn-gradert buffer lag i GaAs substrat og også dannelsen av homogene og barriere-frie grensesnitt mellom superleder og halvleder er et avgjørende skritt i en slik hybrid 2D Quantum krets Utvikling. Det ble demonstrert at med forsiktig etsing freste superledende filmen kan gjøre svært transparente kontakter til i0,75ga0,25som Quantum brønner som resulterer i påvisning av indusert superledende gap i halvledere23 , 24 priser og , 25på.
Betydningen med hensyn til eksisterende metoder er at den presenterte teknikken for 2D hybrid JJs og krets realisering ikke krever InSitu deponering av superleder på halvledere i en MBE kammer etter halvleder veksten har vært fullført23,24,25. Den andre betydningen er at heterostructure wafer kan dyrkes som et skrivebord på opp til 10 cm diameter, slik at fabrikasjon av tusenvis av hybrid 2D veikryss og kretser, så overvinne skalerbarhet utfordringene i hybrid S-SM Quantum kretser og enheter 22 av , 23 andre , 24 priser og , 25på.
Den indusert superledning i Quantum brønner, SGS på differensial konduktans av 2D veikryss, og fase sammenhengende ballistisk Quantum transport målt i våre veikryss sterkt tyder på at hybrid 2D veikryss og kretser basert på superledende i 0,75 for alle Ga0,25som 2DEG råd til lovende materiale system for skalerbar Quantum prosessering og datateknologi. Vår tilnærming kan åpne en ny vei mot Quantum teknologi og hjelper bane vei for utvikling av on-chip topologisk Quantum kretser for å realisere den neste generasjonen av Quantum prosessorer23,24,25.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne erkjenner økonomisk støtte fra EPSRC, gi 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 |