Un nuovo componente elettronico della TU Wien (Vienna) potrebbe essere una chiave importante per l'era della tecnologia dell'informazione quantistica:utilizzando uno speciale processo di produzione, il germanio puro è legato con l'alluminio in modo da creare interfacce atomicamente nitide. Ciò si traduce in una cosiddetta eterostruttura monolitica metallo-semiconduttore-metallo.

Questa struttura mostra effetti unici che sono particolarmente evidenti alle basse temperature. L'alluminio diventa superconduttore, ma non solo, questa proprietà viene trasferita anche al semiconduttore al germanio adiacente e può essere specificamente controllata con campi elettrici. Ciò lo rende particolarmente adatto per applicazioni complesse nella tecnologia quantistica, come l'elaborazione di bit quantistici. Un vantaggio particolare è che utilizzando questo approccio, non è necessario sviluppare tecnologie completamente nuove. Anziché, tecniche di fabbricazione di semiconduttori mature e consolidate possono essere utilizzate per abilitare l'elettronica quantistica basata sul germanio. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Materiale avanzato .

Germanio:difficile stabilire contatti di alta qualità

"Il germanio è un materiale riconosciuto per svolgere un ruolo importante nella tecnologia dei semiconduttori per lo sviluppo di componenti più veloci ed efficienti dal punto di vista energetico, " afferma il dott. Masiar Sistani dell'Istituto per l'elettronica a stato solido della TU Wien. "Tuttavia, se si intende utilizzarlo per produrre componenti su scala nanometrica, ti imbatti in un grosso problema:è estremamente difficile produrre contatti elettrici di alta qualità, perché anche le più piccole impurità nei punti di contatto possono avere un impatto importante sulle proprietà elettriche. Ci siamo quindi posti il ​​compito di sviluppare un nuovo metodo di produzione che consenta proprietà di contatto affidabili e riproducibili".

Atomi in viaggio

La chiave è la temperatura:quando germanio e alluminio strutturati in nanometri vengono messi a contatto e riscaldati, gli atomi di entrambi i materiali iniziano a diffondersi nel materiale vicino, ma in misura molto diversa:gli atomi di germanio si muovono rapidamente nell'alluminio, mentre l'alluminio difficilmente si diffonde nel germanio. "Così, se colleghi due contatti di alluminio a un sottile nanofilo di germanio e aumenti la temperatura a 350 gradi Celsius, gli atomi di germanio si diffondono fuori dal bordo del nanofilo. Questo crea spazi vuoti in cui l'alluminio può poi penetrare facilmente, “ spiega Masiar Sistani. “Alla fine, solo un'area di pochi nanometri nel mezzo del nanofilo è costituita da germanio, il resto è stato riempito dall'alluminio."

Normalmente, alluminio costituito da minuscoli granelli di cristallo, ma questo nuovo metodo di fabbricazione forma un perfetto singolo cristallo in cui gli atomi di alluminio sono disposti in uno schema uniforme. Come si può vedere al microscopio elettronico a trasmissione, si forma una transizione perfettamente pulita e atomicamente netta tra germanio e alluminio, senza regione disordinata in mezzo. A differenza dei metodi convenzionali in cui i contatti elettrici vengono applicati a un semiconduttore, ad esempio evaporando un metallo, allo strato limite non si possono formare ossidi.

Verifica di fattibilità a Grenoble

Per esaminare più da vicino le proprietà di questa eterostruttura monolitica metallo-semiconduttore di germanio e alluminio, Masiar Sistani ha collaborato con il gruppo di ingegneria quantistica del Prof. Olivier Buisson presso l'Università di Grenoble. È venuto fuori che, la nuova struttura ha infatti proprietà piuttosto notevoli:"Non solo siamo stati in grado di dimostrare la superconduttività in puro, germanio non drogato per la prima volta, siamo stati anche in grado di dimostrare che questa struttura può essere commutata tra stati operativi molto diversi utilizzando campi elettrici, " riferisce il dott. Masiar Sistani. "Un tale dispositivo a punti quantici al germanio può non solo essere superconduttore ma anche completamente isolante, oppure può comportarsi come un transistor Josephson, un importante elemento di base dei circuiti elettronici quantistici."

Questa nuova eterostruttura combina tutta una serie di vantaggi:la struttura ha eccellenti proprietà fisiche necessarie per le tecnologie quantistiche, come l'elevata mobilità dei portatori e l'eccellente manipolabilità con i campi elettrici, e ha l'ulteriore vantaggio di adattarsi bene alle tecnologie microelettroniche già consolidate:il germanio è già utilizzato nelle attuali architetture di chip e le temperature richieste per la formazione dell'eterostruttura sono compatibili con gli schemi di elaborazione dei semiconduttori maturi. "Abbiamo sviluppato una struttura che non solo ha proprietà quantistiche teoricamente interessanti, ma apre anche una possibilità tecnologicamente molto realistica di abilitare ulteriori dispositivi innovativi e di risparmio energetico, " dice il dottor Masiar Sistani.