Quantum integrerede kredsløb (QICs) bestående af array af planar og ballistiske Josephson vejkryds (JJs) baseret på i0,75GA0,25som to-dimensionelle elektron gas (2deg) er påvist. To forskellige metoder til fremstilling af de to-dimensionelle (2D) JJs og QICs diskuteres efterfulgt af demonstration af kvante transport målinger i sub-Kelvin temperaturer.
At danne en sammenhængende kvante transport i hybrid superleder-halvleder (S-SM) knude, dannelsen af en homogen og barriere-fri grænseflade mellem to forskellige materialer er nødvendig. S-SM-krydset med høj grænseflade gennemsigtighed vil derefter lette observation af den inducerede hårde superledende kløft, som er det vigtigste krav for at få adgang til de topologiske faser (TPs) og observation af eksotiske kvasipartikler som Majorana Zero modes (MZM) i hybridsystemer. En materiel platform, der kan understøtte observation af TPs og gør det muligt at realisere komplekse og forgrenede geometrier, er derfor meget krævende i kvante behandling og datalogi og teknologi. Her introducerer vi et todimensionalt materiale system og studerer nærhed induceret super ledningsevne i halvledende todimensionale elektron gas (2DEG), der er grundlaget for en hybrid Quantum Integrated Circuit (QIC). 2DEG er en 30 nm tyk i0,75GA0,25som Quantum godt, der er begravet mellem to i0,75al0,25som barrierer i en heterostruktur. Niobium (NB) film bruges som superledende elektroder til at danne NB-in0,75GA0,25as-NB Josephson vejkryds (JJs), som er symmetriske, planar og ballistiske. To forskellige tilgange blev brugt til at danne JJs og QICs. De lange vejkryds blev fabrikeret fotolithografisk, men e-Beam litografi blev brugt til korte vejkryds ‘ fabrikation. De sammenhængende kvante transport målinger som funktion af temperatur ved tilstedeværelse/fravær af magnetfelt B diskuteres. I både indretningen fabrikation tilgange, den nærhed induceret superledende egenskaber blev observeret i i0,75GA0,25som 2deg. Det konstateredes, at e-Beam lithografisk mønstrede JJs af kortere længder resulterer i observation af induceret superledende hul ved meget højere temperaturintervaller. De resultater, der er reproducerbare og rene tyder på, at hybrid 2D JJs og QICs baseret på i0,75GA0,25som Quantum Wells kunne være en lovende materiale platform til at realisere den virkelige komplekse og skalerbare elektroniske og fotoniske Quantum kredsløb og anordninger.
En Josephson Junction (JJ) dannes ved at klemme et tyndt lag af et ikke-superledende (normalt) materiale mellem to superledere1. Forskellige nye kvante elektroniske og fotoniske kredsløb og anordninger kan bygges baseret på JJs2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14,15,16. Blandt dem, JJs med halvleder som deres ikke-superledende (normal) del, eller superleder-halvleder-superleder (S-SM-S) JJs, har fået megen opmærksomhed i de seneste år efter den påståede påvisning af eksotiske Majorana partikler med nul elektriske ladninger på grænsefladen af en superleder og en halvledende endimensional (1D) nanowire17,18,19,20,21, 22. nanowire-baserede hybrid anordninger er begrænset til 1d-geometrien af nanotråden og fabrikation af Y-og/eller T-strukturer ud af dem-et nødvendigt krav til Majorana fletning-er udfordrende22. Den finjustering af nanowire kemiske potentiale, for adgang til topologiske faser, kræver JJs med flere elektrostatiske porte, som forårsager en hel del problemer i komplekse enhed fabrikation ud af nanoledninger. For at overvinde skalerbarhed spørgsmål af 1d ledninger, to-dimensionelle (2D) materielle platforme er meget ønskværdigt19,22.
Blandt 2D-materialer er de to-dimensionelle elektron gas (2DEG) platform-former, når elektroner er begrænset til en grænseflade mellem to forskellige materialer i en halvleder heterostruktur-er den mest lovende kandidat22. Kombinationen af 2DEG med superledere og danner hybrid 2D JJs åbner en ny vej mod udviklingen af næste generations skalerbare kvantesystemer som topologiske kvante behandling og computing. De kan støtte fase sammenhængende Quantum transport, og nærhed induceret super ledningsevne med høj transmissions sandsynlighed, som er grundlæggende krav til topologiske fase observation. I denne forbindelse demonstrerer vi en QIC på en chip, der består af et array af ballistiske 2D JJs, der kan styres af 20 ledninger. Hvert kryds har to NB elektroder som den superledende del og i0,75GA0,25som Quantum brønde i en halvledende heterojunction som den normale del. Waferen kan let mønstrede til at danne komplekse strukturer og netværksbaserede QICs.
Fordelene ved i0,75GA0,25som 2deg omfatter: (i) relativ stor g-faktor, (II) stærk rashba spin-Orbit kobling, (III) den lave elektron effektive masse, og (IV) at indiumsammensætningen kan justeres, så dannelsen af JJs med høj grænseflade gennemsigtighed23,24,25. Waferen kan dyrkes som en disk på op til 10 cm dimeter, hvilket giver mulighed for fremstilling af tusindvis af hybride 2D JJs og komplekse QICs-netværk, så det er muligt at overvinde skalerbar udfordringerne i disse kvante enheder.
Vi diskuterer to forskellige tilgange til anordning fabrikationer: for enhed 1, et kredsløb, der omfatter otte identiske og symmetriske JJs af 850 nm længde og 4 μm bredder er mønstret af litografiske23,24. Enheden 2 indeholder otte vejkryds med forskellige længder. De har alle samme bredde på 3 μm. JJs er mønstret af e-Bam litografi25. Transport målinger ved sub-Kelvin temperaturintervaller i fravær/tilstedeværelse af magnetfelt vil blive præsenteret. Den on-chip QICs består af matrix af 2D NB-i0,75GA0,25as-NB JJs. De lange og korte vejkryds måles i et fortyndings køleskab med en basis temperatur på 40 mK og flydende 3han afkølede kryostat med en grund temperatur på 300 Mk. Enheder er forudindtaget med et AC-signal på 5 μv ved 70 Hz, som er overlejret til krydset DC spænding bias. En to-Terminal standard lock-in teknik bruges til at måle enhedens udgang AC-Current23,24,25.
On-chip QICs bestående af en række JJs baseret på superledende indium gallium arsenid (i0,75GA0,25AS) kvante brønde blev påvist. To vigtige udfordringer i hybrid S-SM-materiale systemer såsom skalerbarhed og grænseflade gennemsigtighed blev behandlet. To kritiske trin, der klynker protokollen, herunder væksten af høj kvalitet og høj mobilitet i0,75GA0,25som to-dimensionelle elektron gas i halvledende heterostrukturer og nærhed induceret super ledningsevne i 2deg blev drøftet23,24,25.
Vækst i0,75GA0,25som med Step-graduerede buffer lag i gaas substrat og også dannelsen af homogene og barriere-fri grænseflader mellem superleder og halvleder er et afgørende skridt i en sådan hybrid 2D Quantum kredsløb Udvikling. Det blev påvist, at med omhyggelig ætsning den sprudede superledende film kan gøre meget gennemsigtige kontakter til i0,75GA0,25som kvante brønde resulterer i påvisning af induceret superledende hul i halvledere23 , 24 , 25.
Betydningen med hensyn til eksisterende metoder er, at den præsenterede teknik for 2D hybrid JJs og kredsløb realisering ikke kræver InSitu deposition af superleder på halvledere i en MBE kammer efter halvleder væksten er blevet afsluttet23,24,25. Den anden betydning er, at heterostrukturwaferen kan dyrkes som et skrivebord med en diameter på op til 10 cm, hvilket gør det muligt at fremstilling af tusindvis af hybride 2D-kryds og-kredsløb, så de skalerbare udfordringer i hybrid S-SM Quantum-kredsløb og-enheder overvindes 22 , 23 , 24 , 25.
Den inducerede super ledningsevne i Quantum Wells, SGS på differentiel konduktivitet af 2D-vejkryds, og den fase sammenhængende ballistiske kvante transport målt i vores kryds antyder kraftigt, at hybride 2D-kryds og kredsløb baseret på superledende i 0,75 GA0,25som 2DEG giver lovende materiale system til skalerbare kvante behandling og computing teknologier. Vores tilgang kan åbne en ny vej mod Quantum teknologi og hjælper bane vejen for udvikling af on-chip topologiske Quantum kredsløb for at realisere den næste generation af Quantum processorer23,24,25.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne anerkender finansiel støtte fra 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 |