Name: scalable quantum integrated circuits on superconducting two-dimensional electron gas platform
Uploaded: 2019-08-02T12:30:00
Duration: 5 min 39 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Scalable Quantum Integrated Circuits on Superconducting Two-Dimensional Electron Gas Platform at JoVE.com

Forfatterne anerkender finansiel støtte fra EPSRC, Grant MQIC.

Bemærk: halvleder heterostruktur og hybrid S-SM Josephson Junction fabrikation præsenteres.
1. halvledende heterostructure fabrikation
Bemærk: den molekylære stråle cellen (MBE) dyrket i0,75GA0,25som Quantum brønde anvendes i dette studie23,24,25,26. Figur 1 skildrer sekvensen af særskilte lag:
<ol><li>Rengør en 500 μm tyk, 3-tommer semi-isolerende (001) GaAs substrat og fjern oxid lag i høj temperatur (over 200 °C)26.</li>
	<li>Justér vækst temperaturen ved 580 °C, og øg stødpude laget for GaAs/AlAs/GaAs-film med tykkelser på 50/75/250 nm26.</li>
	<li>Rampe ned substrat temperaturen i 20 min og derefter vokse et trin-klassificeret buffer lag af InAlAs med en 1300 nm tykkelse ved start substrat temperaturer på T = 416, 390, 360, 341, 331 og 337 °c26.</li>
	<li>Vokse en 30 nm tyk i0,75GA0,25som Quantum godt 2deg ved lidt højere substrat temperatur26.</li>
	<li>Dæk 2DEG Quantum godt med en 60 nm i0,75al0,25som spacer, og derefter modulation dope wafer med en 15 nm tyk af en n-type i0,75al0,25as. Dette vil forsikre kondukteten i mørket26.</li>
	<li>Vokse en 45 nm i0,75al0,25som lag efterfulgt af en Cap lag af ingaas med tykkelse på 2 nm26.</li>
	<li>Udfør målingen af Shubnikov-de Haas-svingningerne og Hall-effekten for at finde elektron tætheden (ns) og mobilitet (μe) ved temperatur T= 1,5 K26. Fra transport målingerne blev det udledt, at ns= 2.24 × 1011 (cm-2) og μe= 2.5 × 105 (cm2/vs) i mørket, men ns= 2.28 × 1011 (cm -2) og μe= 2.58 × 105 (cm2/vs) efter belysning.</li>
</ol>2. todimensionelle Josephson Junction fabrikation
Bemærk: her diskuteres fremstillingsprocessen af hybrid qics med to forskellige tilgange23,24,25. Enhed 1 med otte identiske lange Josephson vejkryds blev fremstillet kun med et par trin af litografiske behandling. Den anden anordning fabrikation procedure var magen til enhed 1 op til dannelsen af JJs hvilket trin e-Beam-litografi blev brugt.
<ol><li>Skitsér JJs-og QIC-enhedens layout, herunder Mesa-og ohmic-mønstre ved hjælp af AutoCad-software25. Start tegningen ved at vælge de relevante lag for at danne lag-vælger menuen. Opret et nyt lag fra format | Lag i AutoCAD-softwaren.</li>
	<li>Design og fabrikere fotolitografi masken. Vælg ønskede former og geometrier i panelmenuen i softwaren. Klik på den ønskede form af JJs (dvs., rektangler, firkanter) og tryk på tegningsvinduet for at starte figuren (Klik i AutoCAD software Hjælp menu for flere detaljer).</li>
	<li>Mønster JJs og qics designs, efter at udvikle fotoresist på wafer, og fabrikere Mesa strukturer til at fungere som den aktive region (det hævede område i figur 1) ved våd-etch i syreopløsninger af H2så4: H2O2 : (1:8:1000)23,24,25. Skyl enheden i DI vand i 30 s og tør derefter med nitrogen gas.</li>
	<li>Sørg for en etch-dybde på ~ 150 nm af dektak Surface profiler23,24,25.</li>
	<li>Form ohmic kontakter, at gøre elektrisk kontakt mellem metal og 2deg, ved at spinne fotoresist på toppen af wafer og derefter udsættelse for UV-lys gennem en foto-maske. Udvikle modstå i MF-319 for 1 min. deponere et tyndt lag, mellem 50 nm og 100 nm guld/germanium/nikkel (augeni) legering over modstå-mønstrede prøve23,24,25.</li>
	<li>Etch a \u2012 140 nm dyb grøft på toppen af det aktive område for at danne 2D JJs ved enten photolithografisk (enhed 1) eller e-Beam Litografisk (enhed 2) mønster og våd-ætsning i syre beskrevet ovenfor (JJs bør dannes langt fra ohmic kontakter, en afstand på > 100 μm for at sikre, at de normale elektroner fra denne del ikke påvirker samlings fladerne)23,24,25.</li>
	<li>Sputter en \u2012130 nm superledende NB film til form NB-in0,75GA0,25as-NB JJs (ved DC Magne-spruttende i ar-plasma),</li>
	<li>Indbetal 10/50 nm tykke ti/AU-film til elektriske kontakter og transport målings formål.</li>
	<li>Overfør og Indlæs enheden på standard blyfri chip carrier (LCC) ved hjælp af GE lak, og gør de elektriske kontakter mellem enheden og LCC Pads ved hjælp af guld ledninger.</li>
	<li>Læg enhederne i et 3-kryostat eller fortyndings køleskab til transport målinger.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Josephson, B. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Possible+new+effects+in+superconductive+tunneling.">Possible new effects in superconductive tunneling.</a> Physics Letters. 1, 251-253 (1962).</li><li>Mukhanov, O. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Energy-efficient+single+flux+quantum+technology.">Energy-efficient single flux quantum technology.</a> IEEE Transaction on Applied Superconductivity. 21, 760-769 (2011).</li><li>Tsujimoto, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Broadly+Tunable+Subterahertz+Emission+from+Internal+Branches+of+the+Current-Voltage+Characteristics+of+Superconducting+Bi2Sr2CaCu2O8+&#948;+Single+Crystals.">Broadly Tunable Subterahertz Emission from Internal Branches of the Current-Voltage Characteristics of Superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+&#948; Single Crystals.</a> Physical Review Letters. 108 (10), 1-5 (2012).</li><li>Delfanazari, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+Bias+Electrode+Position+on+Terahertz+Radiation+from+Pentagonal+Mesas+of+Superconducting+Bi2Sr2CaCu2O8+d.">Effect of Bias Electrode Position on Terahertz Radiation from Pentagonal Mesas of Superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+d.</a> IEEE Transaction Terahertz Science and Technology. 5 (3), 505-511 (2015).</li><li>Delfanazari, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Terahertz+Oscillating+Devices+Based+upon+the+Intrinsic+Josephson+Junctions+in+a+High+Temperature+Superconductor.">Terahertz Oscillating Devices Based upon the Intrinsic Josephson Junctions in a High Temperature Superconductor.</a> Journal of Infrared, Millimeter, Terahertz Waves. 35 (1), 131-146 (2014).</li><li>Delfanazari, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tunable+Terahertz+Emission+from+the+Intrinsic+Josephson+Junctions+in+Acute+Isosceles+Triangular+Bi2Sr2CaCu2O8+&#948;+Mesas.">Tunable Terahertz Emission from the Intrinsic Josephson Junctions in Acute Isosceles Triangular Bi2Sr2CaCu2O8+&#948; Mesas.</a> Optics Express. 21 (2), 2171-2184 (2013).</li><li>Delfanazari, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Study+of+Coherent+and+Continuous+Terahertz+Wave+Emission+in+Equilateral+Triangular+Mesas+of+Superconducting+Bi2Sr2CaCu2O8+&#948;+intrinsic+Josephson+Junctions.">Study of Coherent and Continuous Terahertz Wave Emission in Equilateral Triangular Mesas of Superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+&#948; intrinsic Josephson Junctions.</a> Physica C Superconductivity and its Application. 491, 16-19 (2013).</li><li>Kashiwagi, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+Temperature+Superconductor+Terahertz+Emitters:+Fundamental+Physics+and+Its+Applications.">High Temperature Superconductor Terahertz Emitters: Fundamental Physics and Its Applications.</a> Japanese Journal of Applied Physics. 51 (1), 1-14 (2012).</li><li>Klemm, R. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+the+Electromagnetic+Cavity+Mode+Contributions+to+the+THz+Emission+from+Triangular+Bi2Sr2CaCu2O8+&#948;+mesas.">Modeling the Electromagnetic Cavity Mode Contributions to the THz Emission from Triangular Bi2Sr2CaCu2O8+&#948; mesas.</a> Physica C Superconductivity and its Application. 491, 30-34 (2013).</li><li>Cerkoney, D. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cavity+Mode+Enhancement+of+Terahertz+Emission+from+Equilateral+Triangular+Microstrip+Antennas+of+the+High-+Tcsuperconductor+Bi2Sr2CaCu2O8+&#948;.">Cavity Mode Enhancement of Terahertz Emission from Equilateral Triangular Microstrip Antennas of the High- Tcsuperconductor Bi2Sr2CaCu2O8+&#948;.</a> Journal of Physics: Condensed Matter. 29 (1), 15601 (2017).</li><li>Sand-Jespersen, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kondo-Enhanced+Andreev+Tunneling+in+InAs+Nanowire+Quantum+Dots.">Kondo-Enhanced Andreev Tunneling in InAs Nanowire Quantum Dots.</a> Physical Review Letters. 99, 126603 (2007).</li><li>Herr, Q. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reproducible+operating+margins+on+a+72800-device+digital+superconducting+chip.">Reproducible operating margins on a 72800-device digital superconducting chip.</a> Superconductor Science and Technology. 28, 124003 (2015).</li><li>Van Dam, J. A., Nazarov, Y. V., Bakkers, E. P. A. M., Franceschi, S. D., Kouwenhoven, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Supercurrent+reversal+in+quantum+dots.">Supercurrent reversal in quantum dots.</a> Nature. 442, 667-670 (2006).</li><li>Giazotto, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Josephson+Quantum+Electron+Pump.">A Josephson Quantum Electron Pump.</a> Nature Physics. 7, 857-861 (2011).</li><li>Cybart, S. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large+voltage+modulation+in+magnetic+field+sensors+from+two+dimensional+arrays+of+YBaCuO+nano+Josephson+junctions.">Large voltage modulation in magnetic field sensors from two dimensional arrays of YBaCuO nano Josephson junctions.</a> Applied Physics Letters. 104, 062601 (2014).</li><li>Kalhor, S., Ghanaatshoar, M., Kashiwagi, T., Kadowaki, K., Kelly, M. J., Delfanazari, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+Tuning+of+High-+Tc+Superconducting+Bi2Sr2CaCu2O8+&#948;+Terahertz+Metamaterial.">Thermal Tuning of High- Tc Superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+&#948; Terahertz Metamaterial.</a> IEEE Photonics Journal. 9 (5), 1-8 (2017).</li><li>Mourik, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Signatures+of+Majorana+fermions+in+hybrid+superconductor-semiconductor+nanowire+devices.">Signatures of Majorana fermions in hybrid superconductor-semiconductor nanowire devices.</a> Science. 336, 1003-1007 (2012).</li><li>Chang, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hard+gap+in+epitaxial+semiconductor-superconductor+nanowires.">Hard gap in epitaxial semiconductor-superconductor nanowires.</a> Nature Nanotechnology. 10, 1038 (2014).</li><li>Rokhinson, L. P., Liu, X., Furdyna, J. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+fractional+ac.+Josephson+effect+in+a+semiconductor-superconductor+nanowire+as+a+signature+of+Majorana+particles.">The fractional ac. Josephson effect in a semiconductor-superconductor nanowire as a signature of Majorana particles.</a> Nature Physics. 8, 795-799 (2012).</li><li>Deng, M. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Majorana+bound+state+in+a+coupled+quantum-dot+hybrid-nanowire+system.">Majorana bound state in a coupled quantum-dot hybrid-nanowire system.</a> Science. 354, 1557-1562 (2016).</li><li>G&#252;l, &. #. 2. 1. 4. ;., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hard+Superconducting+Gap+in+InSb+Nanowires.">Hard Superconducting Gap in InSb Nanowires.</a> Nano Letters. 17 (4), 2690-2696 (2017).</li><li>Nichele, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scaling+of+Majorana+Zero-Bias+Conductance+Peaks.">Scaling of Majorana Zero-Bias Conductance Peaks.</a> Physical Review Letters. 119, 136803 (2017).</li><li>Delfanazari, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+Chip+Andreev+Devices:+hard+Gap+and+Quantum+Transport+in+Ballistic+Nb-In0.75Ga0.25As+quantum+well-Nb+Josephson+junctions.">On Chip Andreev Devices: hard Gap and Quantum Transport in Ballistic Nb-In0.75Ga0.25As quantum well-Nb Josephson junctions.</a> Advanced Materials. 29, 1701836 (2017).</li><li>Delfanazari, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Induced+superconductivity+in+indium+gallium+arsenide+quantum+well.">Induced superconductivity in indium gallium arsenide quantum well.</a> Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 459, 282-284 (2018).</li><li>Delfanazari, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-chip+hybrid+Superconducting-Semiconducting+Quantum+Circuit.">On-chip hybrid Superconducting-Semiconducting Quantum Circuit.</a> IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 28, 4 (2018).</li><li>Chen, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Growth+variations+and+scattering+mechanisms+in+metamorphic+In0.75Ga0.25As/In0.75Al0.25As+quantum+wells+grown+by+molecular+beam+epitaxy.">Growth variations and scattering mechanisms in metamorphic In0.75Ga0.25As/In0.75Al0.25As quantum wells grown by molecular beam epitaxy.</a> Journal of Crystal Growth. 425, 70-75 (2015).</li><li>Blonder, G. E., Tinkham, M., Klapwijk, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transition+from+metallic+to+tunneling+regimes+in+superconducting+micro-constrictions:+Excess+current,+charge+imbalance,+and+supercurrent+conversion.">Transition from metallic to tunneling regimes in superconducting micro-constrictions: Excess current, charge imbalance, and supercurrent conversion.</a> Physical Review B. 25, 4515 (1982).</li><li>Beenakker, C. W. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Random-matrix+theory+of+quantum+transport.">Random-matrix theory of quantum transport.</a> Review Modern Physics. 69, 731 (1997).</li></ol>

Forfatterne har intet at afsløre.

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.

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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:572px;" width="573">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">CompactDAQ Chassis</td>
			<td style="width:71px;">National Instruments</td>
			<td style="width:119px;">NI cDAC-9178</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">DSP Lock-in Amplifier</td>
			<td style="width:71px;">AMETEK 7265</td>
			<td style="width:119px;">190284-A-MNL-C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Dilution refrigerator</td>
			<td style="width:71px;">Blueforce</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Buttom loaded fridge</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Dilution refrigerator</td>
			<td style="width:71px;">Oxford</td>
			<td style="width:119px;">KelvinoxMX40</td>
			<td>Wet-fridge</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Diamond scriber MICROTEC</td>
			<td style="width:71px;">Karl Suss</td>
			<td style="width:119px;">HR 100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Dektak Surface Profilometer</td>
			<td style="width:71px;">Veeco</td>
			<td style="width:119px;">3ST</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Evaporator</td>
			<td style="width:71px;">Edwards</td>
			<td style="width:119px;">AUTO 306</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Evaporator</td>
			<td style="width:71px;">Edwards</td>
			<td style="width:119px;">Coating system E306A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:216px;">3He Cryostat</td>
			<td style="width:71px;">Oxford</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">&#160;Photoresist Spinner</td>
			<td style="width:71px;">Headway Research Inc.</td>
			<td style="width:119px;">&#160;EC101DT-R790&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Matlab</td>
			<td style="width:71px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Mask Aligner</td>
			<td style="width:71px;">Karl Suss</td>
			<td style="width:119px;">MJB 3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Source meter</td>
			<td style="width:71px;">Keithley&#160;</td>
			<td style="width:119px;">2614B</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Semiconducting heterostructure</td>
			<td style="width:71px;">MBE Veeco&#160;</td>
			<td style="width:119px;">Gen III system</td>
			<td>MBE Grown wafers</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Wire Bonder</td>
			<td style="width:71px;">K&#38;S&#160;</td>
			<td style="width:119px;">4524</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

scalable quantum integrated circuits on superconducting two-dimensional electron gas platform

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.

Figur 2 a viser enhedens scannings elektronmikroskop (SEM) billede 1. Et kvante kredsløb med 20 elektriske ledninger kan ses. Designet gør det muligt at måle en eller serie af JJs på en chip i et køleskab afkøles. SEM billedet af et knude stykke på kredsløbet af enhed 2, der blev fremstillet af e-Beam litografi, er vist i figur 2b. Afstanden mellem to NB-film i hver side af NB-in0,75GA0,25as-NB junction er L= 550 nm ved den korteste vej. Figur 2 c viser SEM billedet af en samling af enhed 1-som er fotolithografisk fabrikeret. Her adskilles de to NB-elektroder med en afstand på L= 850 nm.
Teorien blonder – Tinkham – Klapwijk (BTK) er en acceptabel model til at beskrive kvante transporten i hybrid S-SM-vejkryds27. Den indflydelse af superleder ordreparametre i halvledende 2DEG resulterer i en ikke-lineær differentiel ledning. Ved lave temperaturer er der to mulige refleksions mekanismer på NB-in0,75GA0,25som grænseflader: normal refleksion, som forårsager ingen gebyr transmission gennem grænsefladen og Andreev refleksioner, som transmitterer to opladnings Quanta 2e, med retrorefleksion af et hul23,24,25. Da det superledende kondensat består af spin singlet Cooper Pairs, har det reflekterede hul det modsatte spin som den indkommende elektron. Tegneserie diagrammet for disse to processer er vist i figur 3a, b, henholdsvis28.
Hvis grænsefladen mellem NB og i0,75GA0,25som kontakt ikke er gennemsigtig, er der sameksistens mellem både normale og Andreev reflekterede elektroner. Således, modstanden stiger og en nul-bias peak inden for kløften dannes. En sådan in-Gap Peak i DV/di (VSD) er ikke observeret i vores kryds. Men for en homogen og barriere fri (Z= 0) grænseflade mellem NB film og i0,75GA0,25som kontakt, alle hændelser elektroner gennemgår Andreev refleksion. I en sådan tilstand dannes en over skydende strøm iexc i krydset på grund af korrelationer mellem elektron-og hullignende kvasi-partikler. Differentialmodstanden i hullet reduceres derfor, og der observeres en flad U-form dukkert i DV/di (VSD). Ifølge BTK model, kan det udledes, at ingen tunnelføring barriere dannet ved NB-in0,75GA0,25som grænseflader af begge enheder. Derfor skønnes barriere styrken at være Z < 0,2 i vores kryds23,24,25.
På grund af nærhedseffekten måles den inducerede kløft på ca. Δind ≈ 100 μev og 650 μev i henholdsvis enhederne 1 og 2. Den temperaturafhængighed induceret superledende kløft med udtalt subharmonisk energi Gap strukturer (SGS) toppe og dips for enhed 1 er vist i figur 4a. De multiple Andreev refleksioner (MAR) ved grænsefladerne af NB-in0,75GA0,25som Junction resultat i observation af SGS i differentiel ledning. Ved den laveste målte temperatur T= 50 MK (rød kurve) fremstår SGS med tre toppe (benævnt P1, P2 og P3) og tre dip'er (benævnt D1, D2 og D3). Temperaturudviklingen for toppe og dips på grund af undertrykkelse af den inducerede super ledningsevne med temperaturstigning er vist i figur 4b. SGS peak positioner adlyder udtrykket V = 2δ/ne (Δ er NB Gap Energy, n = 1, 2, 3,... er et heltal, og e er elektron afgiften): P1, P2, P3 og P4 positioner omtrent svarer til 2δ/3e, 2δ/4e, 2δ/6e og den inducerede mellemrums kant, men dip-positionerne følger ikke udtrykket. Alle funktioner er signifikant temperaturafhængige, og de stærkeste (svageste) SGS toppe (dips) observeres ved T= 50 mk (800 MK). Det er værd at nævne, at selv ved temperaturer over T= 500 MK, hvor super strømmen ikke længere kan ses, er SGS observeret, men det forsvinder ved T> 800 MK-når induceret super ledningsevne er vasket ud.
For denne enhed med et array af otte 2D JJs, i 4 ud af 7 vejkryds, en hård induceret superledende hul i i0,75GA0,25som 2deg blev fundet23,24. Men tre vejkryds viste en soft Gap signatur og hverken en hård-eller en soft-Gap struktur blev observeret for den sidste Junction på grund af en wire kontaktfejl mellem enheden og pad.
Den superledende kløft som en funktion af Applied VSD spænding og temperatur af enhed 2 er vist i figur 5a. Denne enhed blev målt ved en 3han kryostat med base temperatur på T= 280 Mk. Temperatur og magnetfelt forudsætter transport målinger af anordning 2 viser ingen tegn på in-Gap eller sub-Gap svingninger, som observeres for anordning 1 (Se figur 5a, b). Dette kan skyldes den pileformede geometri af krydset, som kan forårsage ødelæggende interferens af MAR. Sådanne funktioner kan forekomme i differentialkondukteringen, hvis enheden måles ved meget lavere temperaturer (fortyndings køleskabet grund temperatur). Den inducerede kløft undertrykkes og flyttes mod nulspændings bias og deres amplituder mindskes med yderligere forøgelse af den anvendte temperatur og magnetfelt.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig1.jpg"> Figur 1 . I0,75GA0,25som/i0,75al0,25as/gaas heterostruktur. Den skematiske visning af heterojunction, hvor en i0,75GA0,25som Quantum godt med 30 nm tykkelse dannes \u2012120 nm under wafer overfladen. NB blev brugt som superledende kontakter (vist i sort) til at danne en hybrid og ballistisk NB – i0,75GA0,25som 2Deg – NB Josephson Junction. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig1large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig2.jpg"> Figur 2 : On-chip hybrid superledende-halvledende Quantum kredsløb. (a) SEM billede af qics enhed, der viser en top visning af en Quantum kredsløb med 20 styreledninger, og 8 planar og symmetriske JJs på en chip. SEM billede af NB-in0,75GA0,25as-NB JJs med en i0,75GA0,25som 2deg hul af længde L= 550 nm og 850 nm for e-Beam Litografisk (b) og photolithografisk (c) fabrikerede vejkryds . <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig2large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig3.jpg"> Figur 3 . Normale og Andreev refleksioner i hybrid superledende-halvledende vejkryds. (a) spekulær quasipartikel refleksion uden ladning transmission gennem grænsefladen. b) Andreev-refleksion der henviser til, at den indkommende elektron afspejles som et hul i det modsatte spin-Underbånd og overførsel 2E-opladning til superledende elektrode. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig3large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig4.jpg"> Figur 4 . Induceret super ledningsevne og SGS i0,75GA0,25som Quantum brønde i photolithografisk fabrikeret Junction. (a) temperaturafhængighed induceret superledende kløft med udtalt SGS toppe på grund af flere Andreev refleksioner. SGS og de inducerede Gap-kant toppe er markeret med P1 til P4, mens SGS-dips er mærket med D1 til D3. b) SGS-toppe og-dip'er, der er vist under (a) som funktion af temperaturen. SGS er undertrykt betydeligt på T&Gt; 400 MK fører til et skift mod nul bias. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig4large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig5.jpg"> Figur 5 . Temperatur og magnetisk felt afhængighed af induceret super ledningsevne i e-stråle lithografisk fabrikerede knude. (a) induceret superledende Gap vs. Applied source-dræn spænding VSD ved temperaturer mellem 300 MK og 1,5 K. Kurverne er lodret forskudt for klarhed. b) farvekodet differentialresistens som funktion af VSD og vinkelret magnetfelt ved T= 300 Mk. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig5large.jpg" target="_blank">Venligst klik her for at se en større version af dette tal.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Scalable Quantum Integrated Circuits on Superconducting Two-Dimensional Electron Gas Platform at JoVE.com

Scalable Quantum Integrated Circuits on Superconducting Two-Dimensional Electron Gas Platform

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.

Skalerbare Quantum integrerede kredsløb på superledende todimensionale elektron Gasplatform

To form a coherent quantum transport in hybrid superconductor-semiconductor (S-Sm) junctions, the formation of a homogeneous and barrier-free interface ...

For at danne en sammenhængende kvantetransport i hybrid superleder-halvleder superleder Josephson vejkryds, dannelsen af den homogene og barrierefri grænseflade mellem to forskellige materialer er nødvendig. Her introducerer vi en ny to-dimensionel materialeplatform, og derefter studere nærhed-induceret superledningsevne i to-dimensionelle elektron gas indium gallium arsenid, der er grundlaget for en hybrid kvante integreret kredsløb. For at designe JJ's og QIC enhed layout, først rense en indium gallium arsenid wafer med acetone og isopropyl alkohol.Tør derefter enheden med nitrogengas. Drej fotoresisten oven på indium gallium arsenid wafer. Bag enheden på en kogeplade i et par sekunder.Derefter skal du placere en fotomaske i en maskejustering og placere enheden under det relevante mønster. Udsæt enheden for UV-lys gennem fotomasken af mesa- og QIC-layout. Derefter udvikle modstå i MF-319 udvikleren i et par minutter.Etch mesa til at fungere som den aktive region ved at placere enheden i en opløsning af vand, svovlsyre og hydrogenperoxid. Skyl enheden med deioniseret vand i 30 sekunder, og tør med nitrogengas. Sørg nu for en ætsedybde på omkring 150 nanometer ved hjælp af en DEKTAK-overfladeprofiler.Rengør enheden med acetone og isopropylalkohol. Dernæst danner ohmic pad til at gøre elektrisk kontakt mellem metal og to-dimensionelle elektron gas ved at dreje fotoresist på toppen af enheden. Bag enheden på en kogeplade i et par sekunder.Placer en fotomaske i maskejusteringen, og placer enheden under det relevante mønster. Udsæt enheden for UV-lys gennem fotomasken af ohmiske mønstre. Derefter udvikle modstå i MF-319 udvikleren i et par minutter.Derefter deponeres et tyndt lag guld germanium nikkellegering på den modstå-mønstrede prøve i en fordampermaskine. Efter at have udført liftoff i acetone, anneal enheden som 430 grader Celsius i et par sekunder. Spin fotoresist på toppen af enheden.Derefter bages enheden på en varmeplade i et par sekunder. Våd-etch en 130 nanometer-dyb grøft på toppen af den aktive region til at danne to-dimensionelle JJ's ved fotolitografisk mønster og våd-ætsning i syre, som tidligere beskrevet. Skær enheden i små chips.Indlæs den chip, der indeholder en række to-dimensionelle JJ's på en standard blyfri chip luftfartsselskab ved hjælp af GE lak. Derefter foretage de elektriske kontakter mellem enheden og blyfri chip bærepuder. Endelig skal apparatet læsses i et fortyndingskøleskab til transportmålinger.SEM-billedet af et kryds på kredsløbet af Enhed 2 vises her. Afstanden mellem to Niobium film i hver side af krydset er 550 nanometer på den korteste vej. SEM-billedet af et kryds af enhed 1, som er fotoknografisk fremstillet, viser, at de to Niobium-elektroder er adskilt af en afstand på 850 nanometer.Normal og Andreev refleksioner i hybrid superledende-halvledende vejkryds er afbildet her. Temperaturafhængighedsinduceret superledende hul med udtalte subharmoniske energigabstrukturer, toppe og dips til enhed 1 vises her. Ved den laveste temperatur vises subharmoniske energigabstrukturer med 3 toppe og 3 dips.Temperaturudviklingen af toppe og dips på grund af undertrykkelsen af den inducerede superledningsevne med temperaturstigning er vist her. Alle funktioner er betydeligt temperaturafhængige, og de stærkeste subharmoniske energihulstoppe observeres ved 50 millikelvin. Den superledende hul som en funktion af anvendt kilde afløb spænding og temperatur af Enhed 2 er vist her.Temperatur- og magnetfeltafhængighedstransportmålingerne af enhed 2 viser ingen tegn på svingninger i mellemrum eller under mellemrum, som er observeret for enhed 1. De vigtigste ting, når du udfører denne procedure er at opnå den rigtige H niveau for at få adgang til de to-dimensionelle elektron gas i enheden og danne nanojunction. Jeg tror, to-dimensionelle Josephson vejkryds kan studeres med forskellige længder og bredder til at undersøge effekten af junctions'dimensions på den topologiske fase af observation.Denne teknik gør det muligt at måle hundredvis af kvanteenheder i et køleskab cooldown, hvilket baner vejen for realisering af skalerbare hybrid quantum enheder.

Research

JoVE Journal

Engineering

Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Kompakte Quantum Dots for Single-molekyle Imaging

Single-molecule imaging is an important tool for  understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the  spatial and temporal ...

Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor

Gradient Echo Quantum Hukommelse i Warm Atomic Vapor

Gradient  echo memory (GEM) is a protocol for storing optical quantum states of light in  atomic ensembles. The primary motivation for such a technology ...

Nanofabrication of Gate-defined GaAs/AlGaAs Lateral Quantum Dots

Nanofabrikation af gate-definerede GaAs / AlGaAs Lateral Quantum Dots

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and ...

Construction and Characterization of External Cavity Diode Lasers for Atomic Physics

Konstruktion og karakterisering af eksterne Cavity Diode lasere til Atomic Physics

Since their development in the late 1980s, cheap, reliable external cavity diode lasers (ECDLs) have replaced complex and expensive traditional dye and ...

Scalable Nanohelices for Predictive Studies and Enhanced 3D Visualization

Skalerbar Nanohelices for Predictive Studier og Udvidet 3D-visualisering

Spring-like materials are ubiquitous in nature and of interest in nanotechnology for energy harvesting, hydrogen storage, and biological sensing ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

Selektiv Area Ændring af Silicon overfladebefugtelighed af Pulsed UV laser Bestråling i Liquid Miljø

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping

Silicium-oxid-halvleder Quantum Dots for Single-elektron Pumpning

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by ...

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Fremstilling og karakterisering af superledende Resonatorer

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors ...

Enhanced Electron Injection and Exciton Confinement for Pure Blue Quantum-Dot Light-Emitting Diodes by Introducing Partially Oxidized Aluminum Cathode

Forbedret elektron injektion og Exciton indespærring for ren blå kvante-Dot lysemitterende dioder ved at indføre delvist oxideret aluminium katode

Stable and efficient red (R), green (G), and blue (B) light sources based on solution-processed quantum dots (QDs) play important roles in next-generation ...

A Standard and Reliable Method to Fabricate Two-Dimensional Nanoelectronics

En Standard og pålidelig metode til at fremstille todimensionale nanoelektronik

Two-dimensional (2D) materials have attracted huge attention due to their unique properties and potential applications. Since wafer scale synthesis of 2D ...