Une nouvelle nanostructure pourrait être la clé de l’électronique quantique


Une nouvelle nanostructure pourrait être la clé de l'électronique quantique

Interface extrêmement précise entre les deux matériaux. Crédit : Université de technologie de Vienne

Un nouveau type de composant électronique de l’Université de technologie de Vienne (Vienne) pourrait être une importante pour l’ère de la technologie de l’information  : dans un processus de fabrication spécial, le germanium pur est combiné avec de l’aluminium de telle manière que des interfaces atomiquement pointues sont créées . Cela crée une hétérostructure dite monolithique métal-semiconducteur-métal.

Cette structure montre des effets uniques qui sont particulièrement visibles à basse température. L’aluminium devient supraconducteur – mais pas seulement, cette propriété est également transférée au semi-conducteur germanium voisin et peut être spécifiquement contrôlée avec des champs électriques. Cela le rend idéal pour les applications complexes de la technologie quantique, telles que le traitement des bits quantiques. Un avantage particulier est que cette approche ne nécessite pas le développement de technologies complètement nouvelles. Au lieu de cela, des techniques de fabrication de semi-conducteurs matures et bien établies peuvent être utilisées pour permettre l’électronique quantique à base de germanium. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue Matériaux avancés.

Germanium : difficile de nouer des contacts de qualité

« Le germanium est un matériau reconnu pour jouer un rôle important dans la technologie des semi-conducteurs pour le développement de composants plus rapides et plus économes en énergie », explique le Dr. Masiar Sistani de l’Institute for Solid State Electronics de l’Université de technologie de Vienne. « Cependant, si vous souhaitez l’utiliser pour fabriquer des composants de l’ordre du nanomètre, vous vous heurtez à un problème majeur : il est extrêmement difficile de produire des contacts électriques de haute qualité, car même la plus petite contamination aux points de contact peut avoir un impact majeur. sur les propriétés électriques. Nous nous sommes donc donné pour mission de développer un nouveau procédé de fabrication qui permette des propriétés de contact fiables et reproductibles. »

Atomes errants

La clé est la température : lorsque le germanium et l’aluminium de structure nanométrique sont mis en contact et chauffés, les atomes des deux matériaux commencent à se diffuser dans le matériau voisin – mais dans une mesure très différente : les atomes de germanium migrent rapidement dans l’aluminium , tandis que l’aluminium diffuse à peine dans le germanium. « Donc, si vous connectez deux contacts en aluminium avec un fin nanofil de germanium et que vous augmentez la température à 350 degrés Celsius, les atomes de germanium se diffusent au bord du nanofil. Cela crée des espaces vides dans lesquels l’aluminium peut alors facilement pénétrer », explique Masiar Sistani. « En fin de compte, il n’y a que quelques nanomètres au milieu du nanofil en germanium, le reste est rempli d’aluminium. »

Normalement, l’aluminium est composé de minuscules grains de cristal, mais ce nouveau procédé de fabrication crée un monocristal parfait dans lequel les atomes d’aluminium sont disposés selon un motif uniforme. Comme on peut le voir au microscope électronique à transmission, une transition parfaitement nette et atomiquement nette se forme entre le germanium et l’aluminium sans aucune zone désordonnée entre les deux. Contrairement aux procédés conventionnels dans lesquels des contacts électriques sont appliqués à un semi-conducteur, par exemple par dépôt en phase vapeur d’un métal, aucun oxyde ne peut se former au niveau de la couche limite.

Etude de faisabilité à Grenoble

Pour étudier plus en détail les propriétés de cette hétérostructure métal-semi-conductrice monolithique composée de germanium et d’aluminium, Masiar Sistani a travaillé avec le groupe d’ingénierie quantique du professeur Olivier Buisson à l’Université de Grenoble. Il s’est avéré que la structure possède des propriétés remarquables : « Nous avons non seulement pu détecter pour la première fois la supraconductivité dans du germanium pur non dopé, mais aussi montrer que cette structure peut être commutée entre des états de fonctionnement très différents. » Avec des champs électriques,  » rapporte le Dr Masiar Sistani : « Un tel élément de quantique en germanium peut non seulement être supraconducteur, mais aussi complètement isolant ou se comporter comme un transistor Josephson, un élément de base important des circuits électroniques quantiques. »

Cette nouvelle hétérostructure combine toute une gamme d’avantages : La structure a d’excellentes propriétés physiques qui sont requises pour les technologies quantiques, telles qu’une mobilité élevée des porteurs de charge et une excellente manipulabilité avec des champs électriques, et elle a l’avantage supplémentaire qu’elle est bonne pour la microélectronique déjà établie. technologies Convient : le germanium est déjà utilisé dans les architectures de puces actuelles, et les températures requises pour la formation de l’hétérostructure sont compatibles avec les schémas de traitement des semi-conducteurs sophistiqués. « Nous avons développé une structure qui a non seulement des propriétés quantiques qui sont théoriquement intéressantes, mais ouvre également une possibilité technologiquement très réaliste de rendre possibles d’autres dispositifs nouveaux et économes en énergie », explique le Dr. Masiar Sistani.


Calculs quantiques fiables et extrêmement rapides avec des transistors au germanium


Plus d’information:
Jovian Delaforce et al., Al-Ge-Al Nanowire Heterostructure: From the Single Hole Quantum Dot to the Josephson Effect, Matériaux avancés (2021). DOI : 10.1002 / adma.202101989

Fourni par l’Université de technologie de Vienne

Citation: Une nouvelle pourrait être la clé de l’électronique quantique (2021, 11 octobre), consulté le 11 octobre 2021 sur https://phys.org/news/2021-10-nanostructure-key-quantum-electronics.html

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