Nový polovodič by mohl umožnit klasické a kvantové výpočty na stejném čipu díky průlomu v supravodivosti
V dnešní digitální době je křemík králem. Ale stejně jako u jiných polovodičů, které jsou široce používány v průmyslu, se do křemíku často přidávají stopová množství jiných prvků, aby ovlivnily jeho elektronické chování, což je proces známý jako doping.
Nyní vědci posunuli doping na novou úroveň a nahradili každý osmý atom v germaniu – polovodič podobný křemíku – supravodičovým galliem, takže materiál tvoří nový supravodič, který lze použít pro technologie, jako je kvantové počítání a snímání.
„Myslím, že existuje mnoho dobrých důvodů, proč být z toho nadšeni,“ spoluautor studie Javad ShabaniProfesor fyziky na New York University, řekl Live Science.
Myšlenka dopovat polovodič natolik, aby byl supravodivý, byla první navržena v roce 1964 Marvinem Cohenem, emeritním profesorem na University of California, Berkeley, poté na University of Chicago. Tato myšlenka byla resuscitována v letech 2000 a 2010, kdy se několik skupin pokusilo bombardovat křemík a germanium supravodivými kovy, aby zjistily, zda by mohly dosáhnout teoreticky předpokládané nové fáze – ale narazili na problémy.
„Když bombardujete, tak nějak zničíte mřížku,“ vysvětlil Shabani a dodal, že ji pak musíte zahřát a „žíhat“, abyste mohli provádět další experimenty se supravodivým chováním, takže není jasné, zda atomy dopantů jednoduše vytvořily ostrov supravodivého materiálu nebo zda se v bombardovaném prvku vytvořila nová supravodivá fáze. On a jeho tým dokonce vyzkoušeli samotné experimenty. „Právě jsme přidali do skládačky,“ řekl Live Science.
Vrstva naděje
Pokrok konečně nastal, když přešli na techniku zvanou molekulární epitaxe. Zde vytvořili krystal germania vrstvu po vrstvě vystavením povrchu atomům germania se správnými podmínkami a koncentrací atomů galia, aby jeden z atomů galia nahradil atom germania v každé jednotkové buňce krystalu.
Shabani navrhl, že pravděpodobně nejsou sami, kdo si myslí, že epitaxe molekulárního paprsku by mohla stát za vyzkoušení. Pokusy však byly odrazeny mnoha negativními spekulacemi, které naznačovaly, že doping na požadovanou úroveň není fyzicky možný na základě předpokladů podobných limitům rozpustnosti. Můžete například do určité míry rozpouštět stále více cukru ve vodě, ale jakmile dosáhnete hranice rozpustnosti, roztok se nasytí a cukr se již nerozpustí, ale zůstane v pevných hrudkách. Přeneste stejné argumenty na doping a možná si myslíte, že za určitou hranicí se dopant nerozdělí rovnoměrně, ale bude se shlukovat.
Ale dopování epitaxí molekulárního paprsku je úplně jiný druh procesu – oba materiály jsou položeny společně – takže není omezen ničím podobným limitu rozpustnosti. „Jen něco na něco stříkáme,“ řekl Šabání s tím, že nejsou porušeny žádné zákony.
Aby si ověřili, co mají, Shabani a jeho tým poslali své vzorky kolegům na University of Queensland v Austrálii, aby je charakterizovali pomocí jejich nejmodernějšího vybavení. Jak Julian Steelevýzkumník z University of Queensland v Austrálii, který pomáhal s charakterizačními experimenty, poukázal na to, že obvykle „požadovaná přesnost“ k charakterizaci zajímavé supravodivé vrstvy pohřbené v hromadném germaniu by byla experimentálně „nezvladatelná“.
„Byla to šťastná kombinace dobře definovaných krystalových vrstev a velmi přesných měření, která pracovala v tandemu na produkci dat s přesností na atomární úrovni,“ řekl Steele Live Science v e-mailu. „Výsledkem je nepopiratelně jasný obraz nového a fascinujícího kvantového materiálu.“
Výzkumníci také poznamenali, že teplota supravodivého přechodu byla 3,5 Kelvina (těsně nad absolutní nula) — kryogenně chladné, ale ne tak chladné jako 1 Kelvin potřebný k dosažení supravodivosti v čistém galliu. Jak Shabani zdůraznil, normálně byste očekávali, že teplota přechodu bude ještě nižší než teplota „mateřského“ supravodiče, v tomto případě gallia. To vyvolává některé zajímavé otázky, který ze známých mechanismů supravodivého chování je zde ve hře.
„Je velmi uspokojující vidět pokračující výzkum s úspěchy v oblasti supravodivosti v dopovaných polovodičích, který jsem zahájil před více než šedesáti lety,“ řekl Cohen v e-mailu Live Science. „Věřím, že se o supravodivosti prostřednictvím výzkumu systémů tohoto druhu musíme ještě hodně naučit.“
Budování robustnějších qubitů
Peter Jacobsonvýzkumník z University of Queensland, který také pomáhal s charakterizačními experimenty, byl obzvláště ohromen tím, „jak jasně se objevilo zkreslení.“
Poukázal na to, že rozteč atomů v rovině každé nanesené krystalové vrstvy zůstala v podstatě nezměněna od vrstvy čistého zárodku germania, ale že rozteč kolmá k této rovině se mírně zvětšila, stejně jako by se dalo očekávat, že pojme o něco větší atomy gallia. „Vidět toto chování tak jasně je silným důkazem toho, jak málo poruch je v těchto filmech přítomno.“
Tato nízká porucha je dobrou zprávou pro každého, kdo se snaží „vypěstovat“ střídající se vrstvy polovodičového a supravodivého materiálu, což dříve nebylo možné.
To drasticky zvyšuje hustotu zařízení, které lze dosáhnout na waferu, protože to znamená, že se můžete skládat do 3D stohů. Shabani používá příklad Josephsonova spojení — spojení nesupravodivého materiálu vloženého mezi supravodivý materiál na obou stranách. Ty lze použít v kvantovém snímání a pro qubity v kvantovém počítání.
„Na jeden plátek se jich vejde 25 milionů,“ řekl. Poukazuje na to, že v současnosti má každá Josephson Junction velikost kolem milimetru a dodal: „Každý z nich by mohl být qubit. Může to být pixel snímače, ne?“
Těsné dodržování pravidelného krystalického řádu může mít další výhody pro ochranu proti „dekoherenci“ supravodivých qubitů. Když se qubity dekoherují, už nejsou schopny držet více hodnot najednou, ale jednorázově se rozhodnou pro určitou hodnotu a v podstatě reagují jako klasický qubit bez výhody kvantového chování.
To je průšvih v úsilí o kvantové výpočty, ale bylo navrženo, že některá z těchto dekoherencí může být spojena s amorfními charakteristikami použitých materiálů. Pro ověření budou zapotřebí další experimenty, ale zlepšená krystalinita v těchto germaniových strukturách s epitaxí molekulárního svazku galliem dopovaným může pomoci qubitům, aby byly odolnější vůči dekoherenci.
Zcela jasná je potenciální výhoda použití již existujících výrobních metod pro výrobu germaniových a křemíkových polovodičových počítačových procesorů a zařízení.
„Máte křemíkovou germaniovou infrastrukturu v hodnotě bilionů dolarů, která nyní může využívat supravodivost jako novou položku v jejich nástrojové sadě,“ řekl Shabani. „To může skutečně pomoci kvantovým výpočtům v pevné fázi – časová osa by se mohla opravdu zkrátit.“
