ابررسانایی در ژرمانیوم دوپ شده با گالیم برای ویفر

پژوهشگرانی از دانشگاه نیویورک و دانشگاه کوئینزلند نشان داده‌اند که ژرمانیوم اپیتاکسیال دوپ‌شده با گالیم می‌تواند رفتار ابررسانایی از خود بروز دهد — پیشرفتی که ممکن است نحوه ساخت چیپ‌های کوانتومی در مقیاس ویفر را دگرگون کند. این کار ترکیبی از تجربیات در رشد لایه‌ای نانوبلورها، مهندسی ناخالصی‌ها و فرآیندهای ساخت نیمه‌رسانا را در بر می‌گیرد و نویدبخش مسیر جدیدی به سوی تولید صنعتی الکترونیک کوانتومی است.

A wafer-scale surprise: superconducting germanium

در یک مقاله مهم منتشرشده در نشریه Nature، گروه تحقیقاتی نشان داد که ژرمانیومی که با روش‌های استاندارد صنعت نیمه‌رسانا رشد داده می‌شود، وقتی با اتم‌های گالیم دوپ می‌شود، در دماهای پایین وارد فاز ابررسانایی می‌گردد. گذار ابررسانایی در این نمونه‌ها در دمایی پایین‌تر از تقریباً 3.5 کلوین رخ می‌دهد؛ اما نکته حیاتی این است که ماده توانسته آرایه‌های متراکم پیوندهای جوزفسان (Josephson junctions) را در سطح کامل یک ویفر دو اینچی پشتیبانی کند. تصور کنید میلیون‌ها تماس ابررسانا که با لیتوگرافی صنعتی الگوگیری شده‌اند و در آزمایش‌های کرایوژنیک برای تأیید رفتار ابررسانای قوی و چگالی‌های جریان عملی مورد آزمون قرار گرفته‌اند. این نتیجه نه تنها نشان‌دهنده پایداری ابررسانایی است، بلکه نمایانگر قابلیت تکرارپذیری و تراشه‌سازی در مقیاس صنعتی است که برای توسعه تراشه‌های کوانتومی و مدارهای ابررسانا اهمیت دارد.

How they made it: clean layers, precise doping

تیم تحقیق از روش اپیتاکسی پرتوی مولکولی (Molecular Beam Epitaxy یا MBE) بهره برد تا فیلم‌های ژرمانیوم با خلوص بسیار بالا رشد دهد و اتم‌های گالیم را در محل‌های دقیق شبکه بلوری جای‌گذاری کند. رشد لایه‌به‌لایه و کنترل شده با MBE امکان کنترل فراوانی دوپانت‌ها (گالیم) تا فراتر از آستانه بحرانی را فراهم می‌کند، به‌طوری که با افزایش غلظت دوپانت، فیلم ژرمانیوم به فاز ابررسانا تبدیل می‌شود در حالی که رابط‌ها و مرزها عاری از نقص باقی می‌مانند. این رویکرد لایه‌ای و صاف از ایجاد مرزهای خشن و نامنظم که معمولاً عملکرد دستگاه را تضعیف می‌کنند جلوگیری می‌کند. علاوه بر این، کنترل دقیق محل قرارگیری اتم‌ها و توزیع دوپانت باعث کاهش پراکندگی ناپیوستگی‌ها شده که برای حفظ خواص کوانتومی و افزایش زمان‌های کوهرنت کوانتومی مهم است. در متن مقاله و داده‌های اندازه‌گیری، مشخصات الکتریکی مانند مقاومت در حالت نرمال و چگالی جریان بحرانی در دماهای مختلف گزارش شده‌اند که نشان‌دهنده رفتار ابررسانایی واقعی و قابل اعتماد است.

Why this matters: compatibility and scaling

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

تبدیل ژرمانیوم به ابررسانا برای تراشه های کوانتومی

پژوهشگران برای اولین‌بار یک نیمه‌هادیِ رایج — ژرمانیوم — را به ابررسانا تبدیل کرده‌اند و مسیر...

آنچه این کار را از بسیاری از دستاوردهای پژوهشی متمایز می‌سازد، قابلیت ساخت و ساز صنعتی آن است. ژرمانیوم دوپ‌شده با گالیم با فرآیندهایی ساخته شده که شباهت زیادی به روش‌های مورد استفاده در تولید نیمه‌رساناهای مرکب و Cryo-CMOS دارد، بنابراین با کارخانه‌های ساخت موجود (fabs) سازگار است. این سازگاری می‌تواند موانع دیرینه برای یکپارچه‌سازی منطق نیمه‌رسانا با عناصر ابررسانا را بردارد — موانعی مانند خازن‌های پارازیتی، تلفات حرارتی، و مشکلات مرتبط با اتصال بین بلوک‌های مختلف مدار. با امکان ساخت مدارهای بسیار متراکم‌تر کوانتومی، می‌توان به تراکم بالا و کاهش پهنای سطح و مصرف انرژی در سیستم‌های کوانتومی رسید که در معماری‌های کنونی به سختی تحقق‌پذیر است. به عبارت دیگر، این پیشرفت می‌تواند فاصله بین دموهای آزمایشگاهی و تولید صنعتی «چیپ‌های کوانتومی در مقیاس ویفر» را کاهش دهد.

در عمل، این یافته مسیر روشنی را از نمونه‌های پراکنده در مقیاس آزمایشگاه به مدارهای ابررسانای در مقیاس ویفر باز می‌کند که برای پردازشگرهای کوانتومی، سیستم‌های RF کرایوژنیک، حسگرهای کم‌نویز و حتی الکترونیک‌های دارای استاندارد فضایی مناسب‌اند. کاربردهای بالقوه شامل میکرومدارهای ابررسانا با عملکرد بالا، آرایه‌های جوزفسان برای اندازه‌گیری کوانتومی، مبدل‌های فرکانسی با نویز پایین برای ماهواره‌ها و سامانه‌های سنجش حساس می‌شود. علاوه بر این، سازگاری با فرآیندهای صنعتی می‌تواند مسیر ورود شرکت‌های بزرگ نیمه‌رسانا و تأمین‌کنندگان تجهیزات به این حوزه نوظهور را تسهیل کند، که برای افزایش سرمایه‌گذاری و توسعه اکوسیستم فناوری ابررسانای مبتنی بر ژرمانیوم حیاتی است.

Challenges ahead and the roadmap to integration

در مراحل بعد، پژوهشگران باید روی مقیاس‌دهی به ویفرهای بزرگ‌تر، بهبود تکرارپذیری فرآیندها و نشان دادن یکپارچه‌سازی قابل اعتماد ژرمانیوم ابررسانا با منطق مبتنی بر سیلیکون کار کنند. افزایش اندازه ویفرها و ثابت نگه داشتن پارامترهای رشد MBE در مقیاس صنعتی (مانند توزیع غلظت دوپانت، سرعت رشد و کنترل دما) از جمله چالش‌های مهم است. همچنین باید به مسائل مرتبط با همخوانی ضریب‌های انبساط حرارتی، مقاومت تماس، پایداری طولانی‌مدت، و آسیب‌پذیری در برابر میدان‌های مغناطیسی نیز پرداخته شود تا عملکرد مدارهای ابررسانا در شرایط عملیاتی واقعی تضمین شود. اگر این گام‌ها با موفقیت طی شوند، ژرمانیوم ابررسانا می‌تواند به یک بستر عملی برای تولید صنعتی چیپ‌های کوانتومی تبدیل شود — ترکیبی از بهترین ویژگی‌های ساخت نیمه‌رساناها و عملکرد مدارهای ابررسانای کلاسیک.

آیا ژرمانیوم می‌تواند کلید ساخت سخت‌افزار کوانتومی قابل تولید انبوه باشد؟ نتایج اولیه نویدبخش‌اند و این رویکرد در مقیاس ویفر سوالی را مطرح می‌کند که صنعت نیمه‌رسانا با دقت دنبال خواهد کرد. برای تحقق این چشم‌انداز لازم است همکاری نزدیک بین محققان دانشگاهی، تولیدکنندگان تجهیزات اپیتاکسی، و کارخانه‌های تولید چیپ برقرار شود تا مسائل مهندسی و فرآیندی حل شوند و استانداردهای جدیدی برای تولید انبوه ابررسانای مبتنی بر ژرمانیوم تدوین گردد. در کنار این تلاش‌ها، مقایسه عملکرد ژرمانیوم با سیستم‌های ابررسانای مرسوم مانند آلومینیوم و نیوبیوم، بررسی تأثیرات روی کوهرنس کیوبیت‌ها، و تحلیل اقتصادی استقرار فراگیر این فناوری نیز ضروری است.

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...