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

Die Autoren würdigen die finanzielle Unterstützung durch EPSRC, Gewähren von MQIC.

HINWEIS: Semiconductor Heterostructure und Hybrid S-Sm Josephson Junction Fabrication werden vorgestellt.
1. Semileitende Heterostrukturfertigung
HINWEIS: Die molekulare Strahlepitaxie (MBE) gewachsen in0.75Ga0.25Als Quantenbrunnen werden in dieser Studie verwendet23,24,25,26. Abbildung 1 zeigt die Reihenfolge unterschiedlicher Ebenen:
<ol><li>Reinigen Sie ein 500 m dickes, 3-Zoll-Halbisoliersubstrat (001) GaAs und entfernen Sie die Oxidschicht bei hoher Temperatur (über 200 °C)26.</li>
	<li>Stellen Sie die Wachstumstemperatur bei 580 °C ein und vergrößern Sie die Pufferschicht von GaAs/AlAs/GaAs-Folien mit Dicken von 50/75/250 nm26.</li>
	<li>Rampen Sie die Substrattemperatur für 20 min herunter und wachsen Sie dann eine stufenweise Pufferschicht von InAlAs mit einer Dicke von 1300 nm bei Beginnensubstrattemperaturen von T = 416, 390, 360, 341, 331 und 337 °C26an.</li>
	<li>Wachsen Sie eine 30 nm dicke In0.75Ga0.25Als Quantenbrunnen 2DEG bei etwas höherer Substrattemperatur26.</li>
	<li>Bedecken Sie das 2DEG-Quanten gut mit einem 60 nm In0.75Al0.25As Spacer, und dann Modulation dope den Wafer durch eine 15 nm Dicke eines n-Typ In0.75Al0.25As. Dies wird die Leitfähigkeit im Dunkeln sichern26.</li>
	<li>Wachsen Sie eine 45 nm In0.75Al0.25As Schicht gefolgt von einer Kappeschicht von InGaAs mit einer Dicke von 2 nm26.</li>
	<li>Führen Sie die Messung der Shubnikov-de Haas-Oszillationen und des Hall-Effekts durch, um die Elektronendichte (ns) und die Beweglichkeit (e ) bei temperatur T= 1,5 K26zu ermitteln. Aus den Transportmessungen wurde geschlossen, dassdie ns= 2,24 x 1011 (cm-2) und die werte 2,5 x 105 (cm2/Vs) im Dunkeln, aber ns= 2,28 x 1011 (cm -2) undnach der Beleuchtung 2,58 x 105 (cm2/Vs).</li>
</ol>2. Zweidimensionale Josephson-Kreuzungsfertigung
HINWEIS: Hier wird der Herstellungsprozess der hybriden QICs mit zwei verschiedenen Ansätzen diskutiert23,24,25. Gerät 1 mit acht identischen langen Josephson-Kreuzungen wurde nur mit wenigen Schritten der Photolithographie-Verarbeitung hergestellt. Das zweite Vorrichtungsherstellungsverfahren ähnelte Gerät 1 bis zur Formation von JJs, die die E-Beam-Lithographie stufen.
<ol><li>Skizzieren Sie die JJs und QIC-Gerätelayout, einschließlich Mesa und ohmschen Mustern mit AutoCad Software25. Starten Sie die Zeichnung, indem Sie die entsprechenden Layer auswählen, um das Menü der Layerauswahl zu bilden. Erstellen eines neuen Layers aus Format | Layer in der AutoCad-Software.</li>
	<li>Entwerfen und fertigen Sie die Fotolithographie-Maske. Wählen Sie die gewünschten Formen und Geometrien aus dem Bedienfeldmenü in der Software aus. Klicken Sie auf die gewünschte Form von JJs (d. h. Rechtecke, Quadrate) und drücken Sie das Zeichnungsfenster, um die Form zu initiieren (klicken Sie im Hilfemenü der Autocad-Software für weitere Details).</li>
	<li>Mustern Sie die JJs und QICs, nachdem sie den Photoresist auf dem Wafer entwickelt haben, und fertigen Sie die Mesa-Strukturen als aktive Region (der erhöhte Bereich in Abbildung 1) durch Nass-Etch in Säurelösungen von H2SO4: H2O2 : (1:8:1000)23,24,25. Spülen Sie das Gerät in DI-Wasser für 30 s und trocknen Sie dann mit Stickstoffgas.</li>
	<li>Stellen Sie eine Ätztiefe von 150 nm durch den DEKTAK Oberflächenprofiler23,24,25sicher.</li>
	<li>Bilden Sie ohmsche Kontakte, um elektrischen Kontakt zwischen dem Metall und 2DEG zu machen, indem Sie Photoresist auf dem Wafer drehen und dann durch eine Fotomaske UV-Licht einschalten. Entwickeln Sie den Widerstand in MF-319 für 1 min. Legen Sie eine dünne Schicht, zwischen 50 nm und 100 nm Gold/Germanium/Nickel (AuGeNi) Legierung über die Widerstandsmusterprobe23,24,25.</li>
	<li>Ätzen Sie einen 140 nm tiefen Graben über dem aktiven Bereich, um 2D-JJs entweder photolithographisch (Gerät 1) oder E-Strahl-Lithographie (Gerät 2) Musterung und Nassätzung in Säure zu bilden(die JJs sollten weit von den ohmschen Kontakten, einem Abstand von > 100 m, um sicherzustellen, dass die normalen Elektronen aus diesem Teil keinen Einfluss auf die Schnittstellen des Knotens haben)23,24,25.</li>
	<li>Sputter eine supraleitende Nb-Folie zu Nb-In0.75Ga0.25As-Nb JJs (von DC-Magnetron-Sputtern im Ar-Plasma),</li>
	<li>10/50 nm dicke Ti/Au-Folien für elektrische Kontakte und Transportmesszwecke hinterlegen.</li>
	<li>Übertragen und laden Sie das Gerät mit GE-Lack auf den standard bleilosen Chipträger (LCC) und stellen Sie die elektrischen Kontakte zwischen dem Gerät und den LCC-Pads mithilfe von Golddrähten her.</li>
	<li>Laden Sie die Geräte für Transportmessungen in einen 3He Kryostat- oder Verdünnungskühlschrank.</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. 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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. 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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>

Die Autoren haben nichts zu verraten.

On-Chip QICs, die eine Reihe von JJs auf Basis supraleitender Indium-Galliumarsenid (In0.75Ga0.25As) Quantenbrunnen umfassten, wurden demonstriert. Zwei wichtige Herausforderungen von hybriden S-Sm-Materialsystemen wie Skalierbarkeit und Schnittstellentransparenz wurden angegangen. Zwei kritische Schritte beim Jammern des Protokolls, einschließlich des Wachstums von hoher Qualität und hoher Mobilität In0,75Ga0,25Als zweidimensionales Elektronengas in halbleitenden Heterostrukturen und näherinduzierte Supraleitung in 2DEG diskutiert23,24,25.
Wachstum von In0,75Ga0,25Wie bei stufengradigen Pufferschichten im GaAs-Substrat und auch die Bildung homogener und barrierefreier Schnittstellen zwischen Supraleiter und Halbleiter ist ein entscheidender Schritt in einem solchen hybriden 2D-Quantenkreislauf entwicklung. Es wurde gezeigt, dass der sputternde supraleitende Film mit sorgfältiger Ätzung hochtransparente Kontakte zu In0.75Ga0.25als Quantenbrunnen herstellen kann, was zur Detektion induzierter supraleitender Spaltspalts in Halbleitern führt23 , 24 , 25.
Die Bedeutung im Hinblick auf bestehende Methoden ist, dass die vorgestellte Technik für 2D-Hybrid-JJs und Schaltungsrealisierung nicht die insitu Deposition von Supraleiter auf Halbleitern in einer MBE-Kammer erfordert, nachdem das Halbleiterwachstum abgeschlossen23,24,25. Die andere Bedeutung ist, dass der Heterostruktur-Wafer als Schreibtisch mit einem Durchmesser von bis zu 10 cm angebaut werden kann, was die Herstellung von Tausenden von hybriden 2D-Knoten und -Schaltungen ermöglicht, so dass die Skalierbarkeitsherausforderungen der hybriden S-Sm-Quantenschaltungen und -Geräte bewältwerden. 22 , 23 , 24 , 25.
Die induzierte Supraleitung in Quantenbrunnen, SGS auf Differentialleitfähigkeit der 2D-Knoten und der phasenkohärente ballistische Quantentransport, der in unseren Knotenpunkten gemessen wird, deuten stark darauf hin, dass hybride 2D-Knoten und -Schaltungen auf der Grundlage supraleitender 0,75 Ga0.25Als 2DEG bieten vielversprechende Materialsysteme für skalierbare Quantenverarbeitungs- und Computertechnologien. Unser Ansatz könnte einen neuen Weg in Richtung Quantentechnologie eröffnen und hilft, den Weg für die Entwicklung von topologischen Quantenschaltkreisen auf dem Chip zu ebnen, um die nächste Generation von Quantenprozessoren23,24,25zu realisieren.

Eine Josephson-Kreuzung (JJ) wird gebildet, indem eine dünne Schicht eines nicht supraleitenden (normalen) Materials zwischen zwei Supraleitern1eingeklemmt wird. Verschiedene neuartige quantenelektronische und photonische Schaltungen undGeräte können basierend auf JJs 2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14,15,16. Unter ihnen haben die JJs mit Halbleiter als nicht supraleitendem (normalen) Teil oder Supraleiter-Halbleiter-Supraleiter (S-Sm-S) JJs in den letzten Jahren nach dem angeblichen Nachweis exotischer Majorana-Teilchen mit Null elektrische Ladungen an der Schnittstelle eines Supraleiters und eines halbleitenden eindimensionalen (1D) Nanodrahts17,18,19,20,21, 22. Nanowire-basierte Hybridgeräte sind auf die 1D-Geometrie des Nanodrahtes und die Herstellung von Y- und/oder T-Strukturen aus ihnen beschränkt - eine notwendige Voraussetzung für Majorana-Geflecht - ist eine Herausforderung22. Die Feinabstimmung des chemischen Potenzials von Nanodraht für den Zugang zu topologischen Phasen erfordert JJs mit mehreren elektrostatisch enstoren Toren, was bei der komplexen Geräteherstellung aus Nanodrähten eine Menge Probleme verursacht. Um die Skalierbarkeitsprobleme von 1D-Drähten zu überwinden, sind zweidimensionale (2D) Materialplattformen sehr wünschenswert19,22.
Unter den 2D-Materialien ist die zweidimensionale Elektronengasplattform (2DEG) - die sich bildet, wenn Elektronen auf eine Schnittstelle zwischen zwei verschiedenen Materialien in einer Halbleiterheterostruktur beschränkt sind - der aussichtsreichste Kandidat22. Die Kombination von 2DEG mit Supraleitern und hybriden 2D-JJs eröffnet einen neuen Weg zur Entwicklung skalierbarer Quantensysteme der nächsten Generation wie topologische Quantenverarbeitung und Computing. Sie können phasenkohärenten Quantentransport und näherinduzierte Supraleitung mit hoher Übertragungswahrscheinlichkeit unterstützen, die eine Grundvoraussetzung für die topologische Phasenbeobachtung sind. In dieser Hinsicht zeigen wir ein QIC auf einem Chip, der aus einer Reihe ballistischer 2D-JJs besteht, die von 20 Drähten gesteuert werden können. Jede Kreuzung hat zwei Nb-Elektroden als supraleitendes Teil und in0,75Ga0,25als Quantenbrunnen in einer halbleitenden Heterojunction als normaler Teil. Der Wafer lässt sich einfach so strukturieren, dass er komplexe Strukturen und vernetzte QICs bildet.
Die Vorteile von In0.75Ga0.25As 2DEG sind: (i) relativ großer g-Faktor, (ii) starke Rashba Spin-Orbit-Kopplung, (iii) die niedrige Elektronen-effektive Masse und (iv) dass die Indiumzusammensetzung abgestimmt werden kann, was die Bildung ermöglicht von JJs mit hoher Schnittstellentransparenz23,24,25. Der Wafer kann als Eine Scheibe von bis zu 10 cm Dimeter angebaut werden, was die Herstellung von Tausenden von hybriden 2D-JJs und komplexen QICs-Netzwerken ermöglicht, so dass die Skalierbarkeitsherausforderungen dieser Quantengeräte bewält werden.
Wir diskutieren zwei verschiedene Ansätze für Gerätefertigungen: Für Gerät 1 wird eine Schaltung, die acht identische und symmetrische JJs von 850 nm Länge und 4 m Breite umfasst, durch Photolithographie23,24gemustert. Das Gerät 2 verfügt über acht Knoten mit unterschiedlichen Längen. Sie alle haben die gleiche Breite von 3 m. Die JJs sind gemustert nach e-bam Lithographie25. Die Transportmessungen in Sub-Kelvin-Temperaturbereichen in Abwesenheit/Präsenz eines Magnetfeldes werden vorgestellt. Die On-Chip QICs bestehen aus einem Array von 2D Nb- In0.75Ga0.25As -Nb JJs. Die langen und kurzen Knoten werden in einem Verdünnungskühlschrank mit einer Grundtemperatur von 40 mK und Flüssig 3Er kühlte Kryostat mit einer Grundtemperatur von 300 mK gemessen. Die Geräte sind mit einem ac-Signal von 5 V bei 70 Hz verzerrt, das der Schnittstelle DC-Spannungsneigung überlagert wird. Zur Messung des Geräteausgangs ac-strom23,24,25wird eine Zwei-Klemmen-Standard-Einsperrtechnik verwendet.

<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

Um einen kohärenten Quantentransport in Hybrid-Supraleiter-Halbleiter-Verbindungen (S-Sm) zu bilden, ist die Bildung einer homogenen und barrierefreien Schnittstelle zwischen zwei verschiedenen Materialien notwendig. Die S-Sm-Kreuzung mit hoher Grenzflächentransparenz erleichtert dann die Beobachtung der induzierten harten supraleitenden Lücke, die die wichtigste Voraussetzung für den Zugang zu den topologischen Phasen (TPs) und die Beobachtung exotischer Quasipartikel wie Majorana Zero ist. Modi (MZM) in Hybridsystemen. Eine Materialplattform, die die Beobachtung von TPs unterstützen und die Realisierung komplexer und verzweigter Geometrien ermöglicht, ist daher in der Quantenverarbeitung und Computerwissenschaft und -technologie sehr anspruchsvoll. Hier stellen wir ein zweidimensionales Materialsystem vor und untersuchen die näherinduzierte Supraleitung im halbleitenden zweidimensionalen Elektronengas (2DEG), das die Grundlage eines hybriden quantenintegrierten Schaltkreises (QIC) ist. Die 2DEG ist eine 30 nm dicke In0.75Ga0.25Als Quantengut, die zwischen zwei In0.75Al0.25Als Barrieren in einer Heterostruktur begraben ist. Niob (Nb) Filme werden als supraleitende Elektroden verwendet, um Nb- In0.75Ga0.25As -Nb Josephson Junctions (JJs) zu bilden, die symmetrisch, planar und ballistisch sind. Zwei verschiedene Ansätze wurden verwendet, um die JJs und QICs zu bilden. Die langen Kreuzungen wurden photolithographisch hergestellt, aber die E-Beam-Lithographie wurde für die Herstellung von kurzen Kreuzungen verwendet. Diskutiert werden die kohärenten Quantentransportmessungen als Funktion der Temperatur in Gegenwart/Abwesenheit von Magnetfeld B. Bei beiden Geräteherstellungsansätzen wurden die näher induzierten supraleitenden Eigenschaften im In0.75Ga0.25As 2DEG beobachtet. Es wurde festgestellt, dass e-beam lithographisch gemusterte JJs mit kürzeren Längen zur Beobachtung induzierter supraleitender Spalts bei viel höheren Temperaturbereichen führen. Die Ergebnisse, die reproduzierbar und sauber sind, deuten darauf hin, dass die hybriden 2D-JJs und QICs basierend auf In0.75Ga0.25As quantum wells eine vielversprechende Materialplattform sein könnten, um die realen komplexen und skalierbaren elektronischen und photonischen Quanten zu realisieren. Schaltungen und Geräte.

Abbildung 2 a zeigt das Rasterelektronenmikroskop (SEM) des Geräts 1. Ein Quantenkreis mit 20 elektrischen Drähten ist zu sehen. Das Design ermöglicht die Messung von einem oder einer Reihe von JJs auf einem Chip in einem Kühlschrank Abkühlung. Das SEM-Bild einer Kreuzung auf der Schaltung von Gerät 2, das durch E-Strahl-Lithographie hergestellt wurde, ist in Abbildung 2bdargestellt. Der Abstand zwischen zwei Nb-Filmen auf jeder Seite der Nb-In0.75Ga0.25As-Nb-Kreuzung beträgt L= 550 nm auf dem kürzesten Weg. Abbildung 2 c zeigt das SEM-Bild einer Kreuzung von Gerät 1- die photolithographisch hergestellt ist. Hier bei einem Abstand von L= 850 nm sind die beiden Nb-Elektroden voneinander getrennt.
Die Blonder-Tinkham-Klapwijk -Theorie (BTK) ist ein akzeptables Modell, um den Quantentransport in hybriden S-Sm-Kreuzungen27zu beschreiben. Der Einfluss der Supraleiterreihenfolgeparameter in semileitenden 2DEG führt zu einer nichtlinearen Differentialleitfähigkeit. Bei niedrigen Temperaturen gibt es zwei mögliche Reflexionsmechanismen am Nb-In0.75Ga0.25Als Schnittstellen: normale Reflexion, die keine Ladungsübertragung über die Schnittstelle verursacht und die Andreev-Reflexionen, die zwei Ladungen überträgt quanta 2e, mit der Retroreflexion eines Loches23,24,25. Da das supraleitende Kondensat aus Spin-Singlet-Cooper-Paaren besteht, hat das reflektierte Loch die entgegengesetzte Drehung als das eintreffende Elektron. Das Cartoon-Diagramm dieser beiden Prozesse ist in Abbildung 3a,bbzw.28dargestellt.
Wenn die Schnittstelle zwischen dem Nb und In0.75Ga0.25Als Kontakt nicht transparent ist, gibt es koexistenz von normalen und Andreev reflektierten Elektronen. So nimmt der Widerstand zu und es bildet sich ein Null-Bias-Peak innerhalb des Spalts. Eine solche In-Gap-Spitze im dV/dI (VSD) wird in unseren Kreuzungen nicht beobachtet. Für eine homogene und barrierefreie (Z=0) Schnittstelle zwischen dem Nb-Film und In0.75Ga0.25Als Kontakt durchlaufen jedoch alle einfallenden Elektronen Andreev-Reflexion. In einem solchen Zustand bildet sich in der Kreuzung ein Überschüssiger Strom Iexc aufgrund von Korrelationen von elektronen- und lochartigen Quasipartikeln. Dadurch wird der Differenzwiderstand innerhalb des Spalts reduziert und ein flacher U-Form-Dip in dV/dI (VSD) beobachtet. Nach DEM BTK-Modell lässt sich daraus schließen, dass sich am Nb-In0.75Ga0.25keine Tunnelbarriere gebildet hat. Daher wird die Barrierefestigkeit auf Z < 0,2 in unseren Kreuzungen23,24,25geschätzt.
Aufgrund des Näherungseffekts werden in den Geräten 1 bzw. 2 induzierte Spaltwerte von ca. 100 , 100 , und 650 eV gemessen. Die temperaturabhängiginduzierte supraleitende Lücke mit ausgeprägten subharmonischen Energiespaltstrukturen (SGS) Spitzen und Dips für Gerät 1 sind in Abbildung 4adargestellt. Die mehrfachen Andreev-Reflexionen (MAR) an den Schnittstellen des Nb-In0.75Ga0.25Als Kreuzung führen zur Beobachtung von SGS in der Differentialleitfähigkeit. Bei der niedrigsten gemessenen Temperatur T= 50 mK (rote Kurve) erscheint die SGS mit drei Peaks (genannt P1, P2 und P3) und drei Dips (benannt als d1, d2 und d3). Die Temperaturentwicklung der Spitzen und Einbrüche durch die Unterdrückung der induzierten Supraleitung mit Temperaturanstieg sind in Abbildung 4bdargestellt. Die SGS-Spitzenpositionen gehorchen dem Ausdruck V = 2 x/ne (die Nb-Spaltenergie, n = 1, 2, 3, ... ist eine ganze Zahl, und e ist die Elektronenladung): P1, P2, P3 und P4 Positionen entsprechen ungefähr 2 x 3e, 2x/4e, 2x/6e und der induzierten Spaltkante, aber die Tauchpositionen folgen nicht dem Ausdruck. Alle Merkmale sind deutlich temperaturabhängig, und die stärksten (schwächsten) SGS-Spitzen (Dips) werden bei T= 50 mK (800 mK) beobachtet. Erwähnenswert ist, dass selbst bei Temperaturen über T= 500 mK, bei denen der Überstrom nicht mehr zu sehen ist, der SGS beobachtet wird, aber bei T> 800 mK verschwindet, wenn induzierte Supraleitung ausgewaschen wird.
Für dieses Gerät mit einem Array von acht 2D-JJs, in 4 von 7 Knoten, wurde eine hart induzierte supraleitende Lücke in In0.75Ga0.25As 2DEG gefunden23,24. Drei Kreuzungen zeigten jedoch eine weiche Spaltsignatur und weder eine Hard- noch eine Soft-Gap-Struktur wurde für die letzte Kreuzung aufgrund eines Drahtkontaktfehlers zwischen Gerät und Pad beobachtet.
Der supraleitende Spalt in Abhängigkeit von der aufgebrachtenV-SD-Spannung und Temperatur von Gerät 2 ist in Abbildung 5adargestellt. Dieses Gerät wurde bei einem 3He-Kryostat mit einer Grundtemperatur von T= 280 mK gemessen. Die Temperatur- und Magnetfeldabhängigkeiten transportieren Messungen von Gerät 2 zeigen keine Anzeichen von In-Gap- oder Sub-Gap-Oszillationen, die für Gerät 1 beobachtet werden (siehe Abbildung 5a, b). Dies kann auf die pfeilförmige Geometrie des Knotens zurückzuführen sein, die zu zerstörerischen Störungen des MAR führen kann. Solche Merkmale können in der Differentialleitfähigkeit auftreten, wenn das Gerät bei viel niedrigeren Temperaturen (Verdünnungskühl-Basistemperatur) gemessen wird. Der induzierte Spalt wird unterdrückt und in Richtung Nullspannungsverzerrung bewegt und ihre Amplituden nehmen mit einer weiteren Erhöhung der angewendeten Temperatur und des Magnetfeldes ab.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig1.jpg"> Abbildung 1 . In0,75Ga0,25As/In0,75Al0,25As/Gaas Heterostruktur. Die schematische Ansicht der Heterojunktion, bei der ein In0.75Ga0.25As Quantengut mit 30 nm Dicke gebildet wird, befindet sich unter der Waferoberfläche. Nb wurde als supraleitende Kontakte (schwarz dargestellt) verwendet, um eine hybride und ballistische Nb–In0.75Ga0.25As 2DEG-Nb Josephson Junction zu bilden. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig2.jpg"> Abbildung 2 : On-Chip-Hybrid supraleitende-semileitende Quantenschaltungen. (a) SEM-Bild des QICs-Geräts, das eine Top-Ansicht einer Quantenschaltung mit 20 Steuerdrähten und 8 planaren und symmetrischen JJs auf einem Chip zeigt. Das SEM-Bild von Nb-In0.75Ga0.25As-Nb JJs mit einem In0.75Ga0.25Als 2DEG Abstand der Länge L= 550 nm und 850 nm für E-Strahl lithographisch (b) und photolithographisch (c) hergestellte Knoten . <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig3.jpg"> Abbildung 3 . Normale und Andreev Reflexionen in hybrid supraleitenden-halbleitenden Knoten. (a) Spektakuläre Quasipartikelreflexion ohne Ladungsübertragung über die Schnittstelle. (b) Andreev-Reflexion, während das eintreffende Elektron als Loch im gegenüberliegenden Spin-Unterband reflektiert wird und 2e Ladung in supraleitende Elektrode überträgt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig4.jpg"> Abbildung 4 . Induzierte Supraleitung und SGS in In0.75Ga0.25Als Quantenbrunnen in photolithographisch hergestellter Kreuzung. (a) Temperaturabhängigkeit induzierte supraleitende Lücke mit ausgeprägten SGS-Spitzen aufgrund mehrerer Andreev-Reflexionen. Die SGS und die induzierten Lückenkantenspitzen sind durch P1 bis P4 gekennzeichnet, während die SGS-Dips durch d1 bis d3 gekennzeichnet sind. (b) Die SGS-Spitzen und Dips in Buchstabe a) als Funktion der Temperatur dargestellt. SGS werden bei T> 400 mK deutlich unterdrückt, was zu einer Verschiebung hin zu Null-Bias führt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig4large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig5.jpg"> Abbildung 5 . Die Temperatur- und Magnetfeldabhängigkeit der induzierten Supraleitung in e-strahl lithographisch hergestellten Knoten. a) Induzierte supraleitende Lücke im Vergleich zur angelegten Quellenabflussspannung VSD bei Temperaturen zwischen 300 mK und 1,5 K. Die Kurven werden aus Gründen der Übersichtlichkeit vertikal versetzt. (b) Farbkodierter Differenzwiderstand in Abhängigkeit von VSD und senkrechtem Magnetfeld bei T= 300 mK. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.</a>

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

Quantenintegrierte Schaltungen (QICs), bestehend aus einer Reihe planarer und ballistischer Josephson-Knoten (JJs) basierend auf In0.75Ga0.25As two-dimensional electron gas (2DEG) wird demonstriert. Zwei verschiedene Methoden zur Herstellung der zweidimensionalen (2D) JJs und QICs werden diskutiert, gefolgt von der Demonstration von Quantentransportmessungen bei Sub-Kelvin-Temperaturen.

Skalierbare Quantum Integrated Circuits auf supraleitender zweidimensionaler Elektronengasplattform

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

Um einen kohärenten Quantentransport in hybriden Supraleiter-Halbleiter-Supraleiter-Josephson-Verbindungen zu bilden, ist die Bildung der homogenen und barrierefreien Schnittstelle zwischen zwei unterschiedlichen Materialien notwendig. Hier stellen wir eine neuartige zweidimensionale Materialplattform vor und untersuchen dann die näherinduzierte Supraleitung im zweidimensionalen Elektronengas Indium galliumarsenid, das die Grundlage eines hybriden quantenintegrierten Schaltkreises ist. Um das JJ- und QIC-Gerätelayout zu entwerfen, reinigen Sie zunächst einen Indium-Gallium-Arsenid-Wafer mit Aceton und Isopropylalkohol.Dann trocknen Sie das Gerät mit Stickstoffgas. Drehen Sie den Photoresist auf dem Indium Galliumarsenid-Wafer. Backen Sie das Gerät auf einer Kochplatte für ein paar Sekunden.Legen Sie anschließend eine Fotomaske in einen Maskenaligner und legen Sie das Gerät unter das entsprechende Muster. Setzen Sie das Gerät durch die Fotomaske von Mesa- und QIC-Layouts UV-Licht aus. Dann entwickeln Sie den Widerstand in MF-319 Entwickler für ein paar Minuten.Ätzen Sie die Mesa, um als aktive Region zu fungieren, indem Sie das Gerät in eine Lösung aus Wasser, Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid setzen. Spülen Sie das Gerät dreißig Sekunden lang mit entionisiertem Wasser und trocknen Sie es mit Stickstoffgas. Stellen Sie nun mit einem DEKTAK Oberflächenprofiler eine Ätztiefe von rund 150 Nanometern sicher.Reinigen Sie das Gerät mit Aceton und Isopropylalkohol. Als nächstes bilden Sie ein ohmsche Pad, um elektrischen Kontakt zwischen dem Metall und dem zweidimensionalen Elektronengas herzustellen, indem Sie Photoresist auf dem Gerät drehen. Backen Sie das Gerät auf einer Kochplatte für ein paar Sekunden.Legen Sie eine Fotomaske in den Maskenaligner, und platzieren Sie das Gerät unter dem entsprechenden Muster. Setzen Sie das Gerät durch die Fotomaske ohmischer Muster UV-Licht aus. Dann entwickeln Sie den Widerstand in MF-319 Entwickler für ein paar Minuten.Anschließend eine dünne Schicht Goldgermanium-Nickellegierung auf die widerstandsgemusterte Probe in einer Verdampfermaschine ablagern. Nach dem Abheben in Aceton, anneal das Gerät als 430 Grad Celsius für ein paar Sekunden. Spin photoresist auf dem Gerät.Dann backen Sie das Gerät auf einer Kochplatte für ein paar Sekunden. Nassätzen Sie einen 130 Nanometer tiefen Graben über dem aktiven Bereich, um zweidimensionale EJs durch photolithographische Musterung und Nassätzung in Säure zu bilden, wie zuvor beschrieben. Schneiden Sie das Gerät in kleine Chips.Laden Sie den Chip, der eine Reihe von zweidimensionalen Jjes enthält, auf einen standardmäßigen bleifreien Chipträger mit GE-Lack. Dann machen Sie die elektrischen Kontakte zwischen dem Gerät und bleifreien Chipträgerpads. Schließlich laden Sie das Gerät in einen Verdünnungskühlschrank für Transportmessungen.Das SEM-Bild einer Kreuzung auf der Schaltung von Gerät 2 wird hier gezeigt. Der Abstand zwischen zwei Niobfolien auf jeder Seite der Kreuzung beträgt 550 Nanometer auf dem kürzesten Weg. Das SEM-Bild einer Kreuzung von Gerät 1, die photolithographisch hergestellt ist, zeigt, dass die beiden Niobelektroden durch einen Abstand von 850 Nanometern getrennt sind.Normale und Andreev-Reflexionen in hybridsupraleitenden-halbleitenden Knoten werden hier dargestellt. Hier werden die temperaturabhängigkeitsinduzierten supraleitenden Lücken mit ausgeprägten subharmonischen Energiespaltstrukturen, Peaks und Dips für Gerät 1 dargestellt. Bei der niedrigsten Temperatur treten subharmonische Energiespaltstrukturen mit 3 Peaks und 3 Dips auf.Die Temperaturentwicklung der Spitzen und Einbrüche durch die Unterdrückung der induzierten Supraleitung mit Temperaturanstieg wird hier gezeigt. Alle Merkmale sind deutlich temperaturabhängig, und die stärksten subharmonischen Energiespaltspitzen werden bei 50 Millikelvin beobachtet. Der supraleitende Spalt als Funktion der angelegten Quell-Drain-Spannung und Temperatur von Gerät 2 wird hier gezeigt.Die Temperatur- und Magnetfeldabhängigkeiten transportieren Messungen von Gerät 2 nicht auf Anzeichen von In-Gap- oder Sub-Gap-Oszillationen, die für Gerät 1 beobachtet werden. Das Wichtigste bei der Durchführung dieses Verfahrens ist, die richtige H-Ebene zu erhalten, um auf das zweidimensionale Elektronengas im Gerät zuzugreifen und die Nanojunction zu bilden. Ich glaube, dass zweidimensionale Josephson-Kreuzungen mit unterschiedlichen Längen und Breiten untersucht werden können, um die Auswirkungen der Dimensionen von Kreuzungen auf die topologische Beobachtungsphase zu untersuchen.Diese Technik ermöglicht es, Hunderte von Quantengeräten in einer Kühlkühlung zu messen und so den Weg für die Realisierung skalierbarer Hybrid-Quantengeräte zu ebnen.

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