تبدیل ژرمانیوم به ابررسانا برای تراشه های کوانتومی

پژوهشگران برای اولین‌بار یک نیمه‌هادیِ رایج — ژرمانیوم — را به ابررسانا تبدیل کرده‌اند و مسیر تازه‌ای به‌سوی تراشه‌های کوانتومی کم‌مصرف و الکترونیک کریوژنیک باز شده است. با قرار دادن اتم‌های گالیوم در شبکهٔ بلوریِ ژرمانیوم با دقت اتمی، تیم نمونه‌ای پایدار و بدون مقاومت ایجاد کرد که قابلیت تولید در مقیاس ویفر را دارد.

چرا تبدیل ژرمانیوم به ابررسانا اهمیت دارد

نیمه‌هادی‌هایی مانند سیلیکن و ژرمانیوم ستون فقرات الکترونیک مدرن را تشکیل می‌دهند، اما معمولاً در برابر جریان الکترون مقاومت کرده و گرما تولید می‌کنند. در مقابل، ابررساناها جریان را با مقاومت صفر منتقل می‌کنند. ترکیب هر دو رفتار در یک ماده می‌تواند تلفات مرزی در دستگاه‌های هیبریدی را حذف کند و عملکرد را در محاسبات کلاسیک، الکترونیک کنترل در دماهای پایین و پردازنده‌های کوانتومی به‌طور چشمگیری بهبود دهد.

«ایجاد ابررسانایی در ژرمانیوم که هم‌اکنون در تراشه‌های رایانه‌ای و فیبر نوری کاربرد گسترده‌ای دارد، می‌تواند به‌طرز بالقوه‌ای ده‌ها محصول مصرفی و فناوری صنعتی را متحول کند،» می‌گوید جواد شبانی، مدیر مرکز فیزیک اطلاعات کوانتومی و مؤسسهٔ کوانتومی دانشگاه نیویورک که رهبری این پژوهش را بر عهده داشت. پیتر جیکوبسن از دانشگاه کوئینزلند می‌افزاید که این کار «می‌تواند پیشرفت در ساخت سیستم‌های کوانتومی عملی را تسریع کند» زیرا مرزهای پاک و مقیاس‌پذیر بین مناطق ابررسانا و نیمه‌هادی را امکان‌پذیر می‌سازد.

ساختارهای پیوند جوزفسون — دستگاه‌های کوانتومی متشکل از دو ابررسانا و یک مانع نازک غیرابررسانا — با اشکال مختلف ژرمانیوم (Ge): سوپر-ژِ (رنگ طلایی)، ژرمانیوم نیمه‌هادی (رنگ آبی)، و سوپر-ژِ در مقیاس ویفر. با این پشتهٔ جدید می‌توان میلیون‌ها پیکسل پیوند جوزفسون (هر کدام مربع 10 میکرومتر) را در مقیاس ویفر ساخت. تصویر کوچک، فرم بلوری سوپر-ژِ را روی همان ماتریس ژرمانیوم نیمه‌هادی نشان می‌دهد که برای پیوند جوزفسون بلوری کلیدی است.

در گذشته، تبدیل نیمه‌هادی‌های گروه IV (مانند سیلیکون و ژرمانیوم) به ابررسانا چالش‌برانگیز بوده است. غلظت‌های بالای دوپانت معمولاً شبکهٔ بلوری را ناپایدار می‌کنند و روش‌های نادقیق ترتیب اتمی لازم برای جفت‌شدن الکترون‌ها — مکانیزم ریزساختاری ابررسانایی — را مختل می‌کنند. مطالعهٔ جدید این موانع را با ترکیب رشد با دقت بالا و تشخیص‌های ساختاری دقیق پشت سر گذاشته است.

چگونه تیم ژرمانیوم ابررسانا را مهندسی کرد

پیشرفت اصلی در کنترل سطح ماده نهفته است. به‌جای کاشت یونی — یک تکنیک خشن و اغلب آسیب‌زا — پژوهشگران از روش لایه‌نشانی پرتوی مولکولی (MBE) برای رشد لایه‌های نازک ژرمانیوم استفاده کردند و هم‌زمان اتم‌های گالیوم را در شبکه جای دادند. گالیوم به‌عنوان دوپانت باعث افزایش حامل‌های بار متحرک می‌شود، اما در غلظت‌های بالا معمولاً ساختار کریستالی را تخریب می‌کند. استفاده از MBE به اتم‌ها اجازه می‌دهد در حین رشد به‌آرامی در جای خود بنشینند و ترتیب بلوری را حتی زمانی که تعداد زیادی اتم گالیوم جایگزین ژرمانیوم می‌شوند، حفظ کنند.

اندازه‌گیری‌های پیشرفتهٔ اشعهٔ ایکس به بهینه‌سازی کمک کردند. این کاوش‌های ساختاری نشان دادند که گالیوم چگونه در مکان‌های شبکه‌ای قرار می‌گیرد و بلور چه میزان تغییر هندسی را تحمل می‌کند تا ابررسانایی سرکوب نشود. با تنظیم شرایط رشد، تیم یک فاز بلوری «سوپر-ژِ» تولید کرد که جریان بدون مقاومت را در دمایی پایین‌تر از حدود 3.5 کلوین (تقریباً −453 درجهٔ فارنهایت) پشتیبانی می‌کند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

تلپورت کوانتومی وارد اینترنت واقعی می شود

پیشرفت بزرگ تلپورت کوانتومی در اینترنت واقعی دانشمندان آمریکایی در گامی مهم برای ارتباطات کوانتومی، برای...

جولیان استیل، یکی از هم‌نویسندگان از دانشگاه کوئینزلند توضیح می‌دهد: «استفاده از اپیتکسی — رشد لایه‌های بلوری نازک — یعنی در نهایت می‌توانیم به دقت ساختاری لازم برای درک و کنترل ظهور ابررسانایی در این مواد دست یابیم.» این مطالعه همچنین با مشارکت محققانی از ETH زوریخ و دانشگاه ایالتی اوهایو انجام شد و بخشی از حمایت مالی آن از دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی ایالات متحده تأمین شده است.

از نمایش آزمایشگاهی تا دستگاه‌های کوانتومی در مقیاس ویفر

یکی از برجسته‌ترین ادعاها در این پژوهش، قابلیت تولیدپذیری است. پشتهٔ ماده‌ای سوپر-ژِ را می‌توان در مقیاس ویفر رشد داد، که این امکان را فراهم می‌کند تا میلیون‌ها پیکسل پیوند جوزفسون (مربعی به ضلع ۱۰ میکرومتر) روی یک ویفر واحد ساخته شود. پیوندهای جوزفسون بلوک‌های سازندهٔ پایه‌ای بسیاری از مدارها و حسگرهای کوانتومی ابررسانا هستند. ساخت مستقیم آن‌ها از لایه‌های ژرمانیوم بلوری پیچیدگی‌های مرزهای هیبریدی را حذف می‌کند و ممکن است یکپارچه‌سازی با کارخانه‌های نیمه‌هادی موجود را تسهیل کند.

کاربردهای بالقوه شامل موارد زیر است:

• کوبیت‌ها (qubit) سازگار با فرآوری‌های کارخانه‌ای و ارتباط‌دهنده‌های ابررسانا که به‌طور طبیعی روی همان ویفر با الکترونیک کنترل نیمه‌هادی قرار می‌گیرند.
• چیپ‌های کنترل کریوژنیک کم‌مصرف برای پردازنده‌های کوانتومی در مقیاس بزرگ که بار گرمایی و پیچیدگی سیم‌کشی در دماهای میلی‌کلوین را کاهش می‌دهند.
• حسگرهای با حساسیت بالا و مدارهای مایکروویو ابررسانا با همدوسی بهبود یافته به‌دلیل رابط‌های اتمی پاک‌تر.

از آنجا که ژرمانیوم هم‌اکنون در فرآیندهای پیشرفتهٔ نیمه‌هادی و قطعات فیبر نوری نقش مهمی دارد، تبدیل آن به ابررسانا بدون نیاز به تغییرات بنیادی در خطوط تولید می‌تواند تجاری‌سازی را تسریع کند. توانایی تنظیم ابررسانایی از طریق جایگزینی کنترل‌شدهٔ گالیوم همچنین سکویی جدید برای مطالعهٔ فیزیک جفت‌شدن الکترون‌ها در مواد گروه IV فراهم می‌آورد.

دیدگاه کارشناسی

دکتر الیسا مورنو، دانشمند مواد (نمونهٔ فرضی) متخصص یکپارچه‌سازی دستگاه‌های کوانتومی، می‌گوید: «این نتیجه یک تغییر بازی عملی است. دستیابی به ابررسانایی در ماده‌ای که هم‌اکنون در کارخانه‌ها مورد استفاده است، مانعی بزرگ بین سخت‌افزار کوانتومی آزمایشی و تولید مقیاس‌پذیر را حذف می‌کند. نکتهٔ کلیدی، تکرارپذیری در اندازهٔ ویفرها و سازگاری با پردازش‌های پس‌خطی خواهد بود — اما مسیر اکنون روشن است.»

این نظر بر جنبهٔ عملی کشف تأکید می‌کند: این تنها یک دستاورد فیزیکی نیست، بلکه یک راه‌حل مهندسی مواد است که فاصله میان ابررساناهای آزمایشگاهی و جریان‌های کاری صنعتی نیمه‌هادی را می‌پوشاند.

در آینده، پژوهشگران بررسی خواهند کرد که فاز سوپر-ژِ تا چه حد در برابر مراحل پردازشی بعدی مقاوم است، آیا می‌توان دمای بحرانی را با دوپانت‌های جایگزین یا مهندسی کرنش بالاتر برد، و دستگاه‌های ساخته‌شده از سوپر-ژِ در مدارهای کوانتومی واقعی چگونه عمل می‌کنند. اگر این پرسش‌ها پاسخ‌های مثبت بگیرند، ترکیب ابررسانایی با تکنولوژی‌های نیمه‌هادی متداول می‌تواند نحوهٔ طراحی سخت‌افزار کوانتومی کم‌مصرف و سیستم‌های کنترل کریوژنیک را دگرگون کند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

وقتی مدولاریتی به مهندسی کوانتومی می رسد

مدولاریتی با مهندسی کوانتومی دیدار می‌کند مهندسان دانشکده مهندسی گریگر، دانشگاه ایلینوی اربانا-شمپین، یک معماری مدولار...