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

Авторы признают финансовую поддержку со стороны EPSRC, грант МЗИК.

ПРИМЕЧАНИЕ: Полупроводниковая гетероструктура и гибридная изготовление соединения S-Sm Josephson представлены.
1. Полупроводниковая гетероструктура изготовления
ПРИМЕЧАНИЕ: молекулярный луч эпитаксии (MBE) выросли в0,75Га0,25Как квантовые скважины используются в этом исследовании23,24,25,26. На рисунке 1 изображена последовательность отдельных слоев:
<ol><li>Очистите 500 мкм толщиной, 3-дюймовый полуизоляционных (001) GaAs субстрата и удалить слой оксида при высокой температуре (выше 200 градусов по Цельсию)26.</li>
	<li>Отрегулируйте температуру роста на уровне 580 градусов по Цельсию и нарастите буферный слой пленок GaAs/AlAs/GaAs с толщиной 50/75/250 нм26.</li>
	<li>Ramp вниз по температуре субстрата в течение 20 минут, а затем расти шаг градуированных буферного слоя InAlAs с толщиной 1300 нм при начальной температуре субстрата T 416, 390, 360, 341, 331 и 337 C26.</li>
	<li>Расти 30 нм толщиной В0,75Га0,25Как квантовой хорошо 2DEG при несколько более высокой температуре субстрата26.</li>
	<li>Обложка 2DEG квантовой скважины с 60 нм В0,75Al0.25Как спейсер, а затем модуляция допинг на 15 нм толщиной n-типа В0,75Аль0,25Как. Это обеспечит проведение в темноте26.</li>
	<li>Расти 45 нм В0,75Аль0,25Как слой следуют крышка слой InGaAs с толщиной 2 нм26.</li>
	<li>Выполните измерение колебаний Шубникова-де-Хаас и эффект Холла, чтобы найти плотность электронов (ns)и подвижность (яп.е)при температуре Ти 1,5 К26. Из транспортных измерений было сдвинчено выводо, что nss 2.24'1011 (см-2)иqe 2.5'105 (см2/Vs) в темноте, но ns2.28'1011 (см -2) ие2,58-105 (см2/Vs) после освещения.</li>
</ol>2. Двухмерное изготовление соединения Джозефсона
ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь, процесс изготовления гибридных QICs с двумя различными подходами обсуждаются23,24,25. Устройство 1 с восемью идентичными длинными развязками Josephson было изготовлено только с помощью нескольких этапов фотолитографии. Процедура изготовления второго устройства была похожа на устройство 1 вплоть до формирования JJ, который шаг электронной лучей литографии был использован.
<ol><li>Эскиз JJs и QIC макет устройства, в том числе mesa и ohmic моделей с помощью программного обеспечения AutoCad25. Начните рисунок, выбрав соответствующие слои для формирования меню селектора слоя. Создание нового слоя из Формата (ru) Слой в программном обеспечении AutoCad.</li>
	<li>Дизайн и изготовление фотолитографии маски. Выберите желаемые формы и геометрии из меню панели в программном обеспечении. Нажмите на нужную форму JJs (т.е. прямоугольники, квадраты) и нажмите на окно чертежа, чтобы инициировать форму (нажмите в меню справки программного обеспечения Autocad для получения более подробной информации).</li>
	<li>Шаблон JJs и ЦИКов конструкций, после разработки photoresist на, и изготовить меса структур выступать в качестве активного региона (поднятая область на рисунке 1) на мокрой etch в кислотных растворов H2SO4: H2O2 : (1:8:1000)23,24,25. Промыть устройство в воде DI на 30 с, а затем высушить с азотным газом.</li>
	<li>Обеспечьте глубину etch 150 nm по DEKTAK поверхности профайлер23,24,25.</li>
	<li>Форма ohmic контактов, чтобы сделать электрический контакт между металлом и 2DEG, путем спиннинг photoresist на верхней части пластины, а затем воздействия УФ-излучения через фото-маску. Разработка сопротивления в MF-319 в течение 1 мин. Депозит тонким слоем, между 50 нм и 100 нм золота / германия / никеля (AuGeNi) сплав над сопротивлениеу узором образца23,24,25.</li>
	<li>Etch a qu2012 140 nm deep trench on top of the active region to form 2D JJs by either photolithographically (device 1) or e- beam lithographically (device 2) patterning and wet-etching in acid described above (the JJs should be formed far from the ohmic contacts, a distance of 100 мкм, чтобы нормальные электроны из этой части не влияли на интерфейсы соединения)23,24,25.</li>
	<li>Распыление кв2012130 нм сверхпроводящей пленки Nb для формирования Nb-In0.75Ga0.25As-Nb JJs (по DC магнетрон распыления в плазме Ar),</li>
	<li>Депозит 10/50 нм толщиной Ti/Au пленки для электрических контактов и транспортных целей измерения.</li>
	<li>Перенесите и загрузите устройство на стандартную бесконтактную чип-носитель (LCC) с помощью лака GE и сделайте электрические контакты между устройством и lCC колодками с помощью золотых проводов.</li>
	<li>Загрузите устройства в 3He cryostat или разбавления холодильник для транспортных измерений.</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>

Авторам нечего раскрывать.

На чипе были продемонстрированы квантовые скважины, состоящие из массива JJ, основанных на сверхпроводящем арсении галлия (В0,75Га0,25А) квантовых скважин. Были решены две важные проблемы гибридных систем S-Sm, такие как масштабируемость и прозрачность интерфейса. Два критических шага нытье протокола, включая рост высокого качества и высокой мобильности В0,75Га0,25Как двумерный электрон газ в полупроводниковых гетероструктур и близости индуцированной сверхпроводимости в 2DEG были обсуждали23,24,25.
Рост в0,75Ga0.25Как и в случае с ступенчатыми слоями буфера в субстрате GaAs, а также формирование однородных и безбарьерных интерфейсов между сверхпроводником и полупроводником является решающим шагом в такой гибридной 2D квантовой цепи Развития. Было продемонстрировано, что при тщательном офорте распыленная сверхпроводящая пленка может сделать высокопрозрачные контакты сВ 0,75Га0,25Как квантовые скважины, приводящие к обнаружению индуцированного сверхпроводящего разрыва в полупроводниках23 , 24 , 25.
Значение в отношении существующих методов заключается в том, что представленный метод для 2D гибридных JJи и реализации цепи не требует insitu осаждения сверхпроводников на полупроводников в камере MBE после полупроводникового роста был завершено23,24,25. Другое значение заключается в том, что гетероструктурная пластина может быть выращена как стол диаметром до 10 см, что позволяет изготавливать тысячи гибридных 2D соединений и схем, таким образом преодолевая проблемы масштабируемости гибридных квантовых схем и устройств S-Sm 22 Г. , 23 , 24 , 25.
Индуцированная сверхпроводимость в квантовых скважинах, SGS на дифференциальной проводимости 2D соединений, и фазовый когерентный баллистический квантовый транспорт, измеренный в наших соединениях, убедительно свидетельствуют о том, что гибридные 2D-соединения и схемы, основанные на сверхпроводящих 0,75 Ga0.25Как 2DEG предоставляют перспективную материальную систему для масштабируемой квантовой обработки и вычислительных технологий. Наш подход может открыть новый путь к квантовым технологиям и поможет проложить путь для развития на чипе топологических квантовых схем для реализации следующего поколения квантовых процессоров23,24,25.

Соединение Джозефсона (JJ) образуется путем зажава небольшого слоя несуперпроводящего (нормального) материала между двумя сверхпроводниками1. Различные новые квантовые электронные и фотонические схемы и устройства могут быть построены на основе JJs2,3,4,5,6,8, 9,10,11,12,13,14,15,16. Среди них JJс с полупроводником как их несуперпроводящей (нормальной) частью, или сверхпроводник-суперпроводником (S-Sm-S) JJ, получили большое внимание в последние годы после предполагаемого обнаружения экзотических частиц Майораны с нулевые электрические заряды на интерфейсе сверхпроводника и полупроводниковый одномерный (1D) нанопровод17,18,19,20,21, 22. Нанопровод на основе гибридных устройств ограничены 1D геометрии нанопровода и изготовления Y и / или Т-структур из них - необходимое требование для Майорана плетения - бросает вызов22. Тонкая настройка химического потенциала нанопровода для доступа к топологическим фазам требует JJс с несколькими электростатически воротами, что вызывает довольно много проблем при изготовлении сложных устройств из нанопроводов. Для преодоления проблем масштабируемости 1D проводов, двумерные (2D) материальные платформы весьма желательны19,22.
Среди 2D материалов, двухмерный электронный газ (2DEG) платформа-формы, когда электроны ограничиваются интерфейсом между двумя различными материалами в полупроводниковой гетероструктурной- является наиболее перспективным кандидатом22. Сочетание 2DEG с сверхпроводниками и формирование гибридных 2D JJ открывает новый путь к разработке масштабируемых квантовых систем следующего поколения, таких как топологические квантовые обработки и вычисления. Они могут поддерживать фазовый квантовый транспорт и близость индуцированной сверхпроводимости с высокой вероятностью передачи, которые являются фундаментальными требованиями для топологического наблюдения фазы. В этой связи мы демонстрируем ЦИК на чипе, который состоит из массива баллистических 2D JJ, которые могут управляться 20 проводами. Каждый узел имеет два электрода Nb в качестве сверхпроводящей части и в0,75Га0,25Как квантовые скважины в полупроводниковом гетерородеии в качестве нормальной части. Вафля может быть легко узорной для формирования сложных структур и сетевых ЗИКов.
Преимущества В0,75Ga0.25Как 2DEG включают: (i) относительно большой g-фактор, (ii) сильное спин-орбитальное соединение Рашба, (iii) низкая эффективная масса электрона, и (iv), что состав индиума может быть настроен, что позволяет образование JJs с высокой прозрачностью интерфейса23,24,25. могут быть выращены как диск до 10 см диметра, что позволяет изготовление тысяч гибридных 2D JJs и сложных сетей QICs таким образом преодолевая проблемы масштабируемости этих квантовых устройств.
Мы обсуждаем два различных подхода для изготовления устройств: Для устройства 1, схема, которая включает в себя восемь идентичных и симметричных JJs 850 нм длиной и 4 мкм шириной узором фотолитографии23,24. Устройство 2 включает в себя восемь соединений различной длины. Все они имеют одинаковую ширину 3 мкм. JJs по образцу электронной гамкой литографии25. Будут представлены транспортные измерения на субкельвских температурных диапазонах при отсутствии/присутствии магнитного поля. На чипе QICs состоит из массива 2D Nb- В0,75Га0,25Как -Nb JJs. Длинные и короткие перекрестки измеряются в разбавленном холодильнике с базовой температурой 40 мК и жидкостью 3Он охлаждал криостат с базовой температурой 300 мК соответственно. Устройства предвзято с ac-сигналом 5 МЗ на 70 Гц, который накладывается на уклон напряжения соединения dc. Для измерения вывода устройства ac -current23,24,25используется стандартная методика блокировки.

<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

Для формирования когерентного квантового транспорта в гибридных сверхпроводниковых (S-Sm) соединениях необходимо формирование однородного и безбарьерного интерфейса между двумя различными материалами. Затем соединение S-Sm с высокой прозрачностью интерфейса облегчит наблюдение за индуцированным жестким сверхпроводящим разрывом, который является ключевым требованием для доступа к топологическим фазам (ТП) и наблюдению за экзотическими квазичастицами, такими как Majorana zero режимов (МЗМ) в гибридных системах. Материальная платформа, которая может поддерживать наблюдение за ТП и позволяет реализовать сложные и разветвленные геометрии, поэтому очень требовательна в квантовой обработке и вычислительной технике. Здесь мы вводим двухмерную материальную систему и изучаем близость индуцированной сверхпроводимости в полупроводниковом двухмерном электрон-газе (2DEG), который является основой гибридной квантовой интеграрной цепи (ЗИК). 2DEG является 30 нм толщиной В0,75Га0,25Как квантовой хорошо, что похоронен между двумя В0,75Аль0,25Как барьеры в гетероструктуре. Ниобий (Nb) пленки используются в качестве сверхпроводящих электродов для формирования Nb- В0,75Ga0.25Как -Nb Josephson соединений (JJs), которые симметричны, планарные и баллистические. Для формирования JJs и ЗИК были использованы два различных подхода. Длинные соединения были изготовлены фотолитографически, но электронная лучевая литография использовалась для изготовления коротких соединений. Обсуждаются последовательные квантовые измерения транспорта как функция температуры при наличии/отсутствии магнитного поля В. В обоих подходах к изготовлению устройств, близость индуцированных сверхпроводящих свойств наблюдались вIn 0.75Ga0.25As 2DEG. Было установлено, что электронный луч литографически узорчатых JJs более короткой длины приводит к наблюдению индуцированного сверхпроводящего разрыва на гораздо более высоких диапазонах температур. Результаты, которые воспроизводимы и чистые, предполагая, что гибридные 2D JJ и QICs на основев 0,75Га0,25Как квантовые скважины могут быть перспективными материальной платформой для реализации реального сложного и масштабируемого электронного и фотонного квантового схемы и устройства.

Рисунок 2 показывает сканирующий электронный микроскоп (SEM) изображение устройства 1. Видна квантовая схема с 20 электрическими проводами. Конструкция позволяет измерять один или серию JJs на чипе в одном холодильнике охлаждения. Sem изображение одного соединения на цепи устройства 2, которое было изготовлено с помощью э-лучевой литографии, показано на рисунке 2b. Расстояние между двумя пленками Nb в каждой стороне Nb-In0.75Ga0.25As-Nb соединение Lй 550 нм на кратчайший путь. Рисунок 2 c показывает SEM изображение одного соединения устройства 1, который фотолитографически изготовлен. Здесь два электрода Nb разделены расстоянием l850 нм.
Теория Блондер-Тинхэм-Клапвейк (BtK) является приемлемой моделью для описания квантового транспорта в гибридных стыках S-Sm27. Влияние параметров сверхпроводникового порядка на полупроводниковое 2DEG приводит к нелинейному дифференциальному проведению. При низких температурах на Nb-In0.75Ga0.25Как интерфейсы есть два возможных механизма отражения: нормальное отражение, которое не вызывает передачи заряда через интерфейс и отражения Андреева, который передает два заряда кванта 2e, с ретрорефлексией отверстие23,24,25. Поскольку сверхпроводящий конденсат состоит из спиновых пар синглет Купера, отраженное отверстие имеет противоположный спин в качестве входящего электрона. Схема мультфильма этих двух процессов показана на рисунке 3a,b,соответственно28.
Если интерфейс между Nb и в0.75Ga0.25Как контакт не прозрачен, то есть сосуществование как нормальных, так и отраженных Электронов Андреева. Таким образом, сопротивление увеличивается и формируется пик нулевой предвзятости внутри разрыва. Такой пик в дВ/дВ (VSD)не наблюдается в наших перекрестках. Тем не менее, для однородного и барьерного свободного интерфейса между пленкой Nb и в0.75Ga0.25Как контакт, все электроны инцидента проходят отражение Андреева. В таком состоянии избыток тока Iexc образуется на стыке из-за корреляций электронов и дыроподобных квазичастиц. Таким образом, дифференциальное сопротивление в пределах разрыва уменьшается инаблюдается плоское U-образное падение в dV/dI (VSD). Согласно модели BTK, можно сделать вывод, что на Nb-In0.75Ga0.25как интерфейсы обоих устройств не образовался туннельный барьер. Таким образом, прочность барьера оценивается в 0,2 евро в наших перекрестках23,24,25.
Из-за эффекта близости, индуцированный разрыв приблизительнов 100 евро и 650 зев с измерением в устройствах 1 и 2, соответственно. Температурная зависимость индуцированного сверхпроводящего разрыва с выраженными догармоническими структурами энергетического разрыва (SGS) пиков и провалов для устройства 1 показаны на рисунке 4a. Многократные отражения Андреева (MAR) на стыках Nb-In0.75Ga0.25Как соединение приводят к наблюдению SGS в дифференциальной проводимости. При самой низкой измеренной температуре Tи 50 мК (красная кривая) SGS появляется с тремя пиками (названными как P1, P2 и P3) и тремя провалами (названными d1, d2 и d3). Эволюция температуры пиков и провалов в связи с подавлением индуцированной сверхпроводимости с повышением температуры показана на рисунке 4b. Пиковые позиции SGS подчиняются выражению V / 2 '/ne (является энергией разрыва Nb, n No 1, 2, 3, ... является integer, и e является электронным зарядом): P1, P3, P3 и P4 позиции примерно соответствуют 2'/3e, 2'/4e, 2'/6e и индуцированной края разрыва, но падение позиции не следуют за выражением. Все особенности существенно зависят от температуры, а самые сильные (самые слабые) пики SGS (провалы) наблюдаются на Т- 50 мК (800 мК). Стоит отметить, что даже при температурах выше Ти 500 мк, где суперток больше не видно, SGS наблюдается, но он исчезает на Tйgt; 800 мК-, когда индуцированной сверхпроводимости вымывается.
Для этого устройства с массивом из восьми 2D JJs, в 4 из 7 соединений, жесткий индуцированных сверхпроводящих разрыв в0,75Ga0,25Как 2DEG было найдено23,24. Тем не менее, три соединения показали мягкую подпись разрыв и ни жесткий, ни мягкий разрыв структуры не наблюдалось для последнего соединения из-за отказа контакта провода между устройством и площадку.
Сверхпроводящий разрыв в функции прикладного напряжения VSD и температуры устройства 2 показан на рисунке 5a. Это устройство было измерено на 3He криостат с базовой температурой Tи 280 мК. Зависимость температуры и магнитного поля от транспортных измерений устройства 2 не показывает никаких признаков колебаний в разрыве или субразрыва, которые наблюдаются для устройства 1 (см. рисунок 5a,b). Это может быть связано со стреловидной геометрией соединения, которая может вызвать разрушительное вмешательство MAR. Такие функции могут появиться в дифференциальной проводимости, если устройство измеряется при гораздо более низких температурах (базовая температура разбавления холодильника). Индуцированный разрыв подавляется и перемещается в сторону смещения нулевого напряжения, и их амплитуды уменьшаются с дальнейшим увеличением прикладной температуры и магнитного поля.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig1.jpg"> Рисунок 1 . В0.75Ga0.25Как/В0.75Al0.25Как/GaAs гетероструктура. Схематический вид гетеросоединения, где в0,75Га0,25Как квантовый колодец с толщиной 30 нм образуется qu2012120 нм ниже поверхности вафель. Nb был использован в качестве сверхпроводящих контактов (показано черным цветом) для формирования гибридного и баллистического Nb-In0.75Ga0.25Как соединение 2DEG-Nb Josephson. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig1large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig2.jpg"> Рисунок 2 : На чипе гибридных сверхпроводящих полупроводниковых квантовых цепей. () SEM изображение устройства QICs, показывающего вид верхней части квантовой цепи с 20 проводами управления, и 8 планарных и симметричных JJs на чипе. SEM изображение Nb-In0.75Ga0.25As-Nb JJs с0,75Га0,25Как 2DEG разрыв длины L550 нм и 850 нм для электронного луча литографиально (b) и фотолитографии (c ) сфабрикованные соединения . <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig3.jpg"> Рисунок 3 . Нормальные и Андреевские размышления в гибридных сверхпроводящих полупроводниковых узлах. () Specular квазичастицы отражения без передачи заряда через интерфейс. (б) Отражение Андреева в то время как входящий электрон отражается как отверстие в противоположном спине подполосы и переводит 2e заряд ав сверхпроводящий электрод. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig3large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig4.jpg"> Рисунок 4 . Индуцированная сверхпроводимость и SGS в0.75Ga0.25Как квантовые скважины в фотолитографически сфабрикованных соединениях. ()Температура зависимость индуцированных сверхпроводящих разрыв с выраженными пиками SGS из-за нескольких отражений Андреева. Пики края разрыва SGS и индуцированные, отмечены P1 к P4, в то время как провалы SGS отмечены d1 к d3. (b) Пики и провалы SGS показаны в (a) как функция температуры. SGS значительно подавляются на Tйgt; 400 мК приводит к сдвигу к нулю смещения. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig4large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig5.jpg"> Рисунок 5 . Зависимость температуры и магнитного поля индуцированной сверхпроводимости в литографически изготовленных соединениях электронного луча. a) индуцированный сверхпроводящий разрыв против прикладного исходного напряжения VSD при температуре от 300 мК до 1,5 К. Кривые вертикально компенсируются для ясности. (b) Цветовое дифференциальное сопротивление в зависимости от VSD и перпендикулярного магнитного поля при Тй 300 мК. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig5large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</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

Квантовые интегральные схемы (КИК), состоящие из массива планарных и баллистических соединений Джозефсона (JJs) на основеВ 0,75Ga0.25Как двухмерный электрон газ (2DEG) демонстрируется. Обсуждаются два различных метода изготовления двухмерных (2D) JJ и ЗИК, за которыми следует демонстрация квантовых измерений транспорта при субкельвских температурах.

Масштабируемые квантовые интегрированные схемы на сверхпроводящей двухмерной газовой платформе

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

Для формирования когерентного квантового транспорта в гибридных сверхпроводниково-полупроводниковых сверхпроводниковых соединениях Джозефсона необходимо формирование однородного и безбарьерного интерфейса между двумя различными материалами. Здесь мы представляем новую двухмерную материальную платформу, а затем изучаем индуцированную близостью сверхпроводимость в двумерном электронном газовом зидийном арсениде, который является основой гибридной квантовой интегрированной цепи. Для разработки JJ и QIC макет устройства, сначала очистить циндий галлия мышьяка с ацетоном и изопропиловым спиртом.Затем высушите устройство азотным газом. Спин фоторезист на вершине вафельного вафельного валина из индиума галлия. Выпекать устройство на горячей тарелке в течение нескольких секунд.После этого поместите фотомаск в выравниватель маски и поместите устройство под соответствующий шаблон. Подвергайте устройство ультрафиолетовому свету через фотомаск макетов меса и ЦИН. Затем разработать сопротивление в MF-319 разработчика в течение нескольких минут.Etch меза выступать в качестве активного региона, поместив устройство в раствор воды, серной кислоты и перекиси водорода. Промыть устройство деионизированной водой в течение тридцати секунд и высушить азотным газом. Теперь обеспечите etch глубину около 150 нанометров с помощью профилера поверхности DEKTAK.Очистите устройство ацетоном и изопропиловым спиртом. Далее, форма ohmic площадку, чтобы сделать электрический контакт между металлом и двумерным электронным газом, вращая фоторезист на верхней части устройства. Выпекать устройство на горячей тарелке в течение нескольких секунд.Поместите фотомаск в выравниватель маски и поместите устройство под соответствующий шаблон. Подвергайте устройство ультрафиолетовому свету через фотомаск охмических узоров. Затем разработать сопротивление в MF-319 разработчика в течение нескольких минут.После этого, депозит тонкий слой золота germanium никеля сплава на сопротивление узором образца в испаритель машины. После выполнения старта в ацетоне, anneal устройство как 430 градусов по Цельсию в течение нескольких секунд. Спин-фоторезист на верхней части устройства.Затем выпекать устройство на горячей тарелке в течение нескольких секунд. Влажный etch 130 нанометровой траншеи на вершине активной области, чтобы сформировать двумерные JJ по фотолитографических узоров и мокрого травления в кислоте, как описано ранее. Разрежьте устройство на мелкие фишки.Загрузите чип, содержащий массив двухмерных JJ на стандартном несущем чипе без свинца, используя лак GE. Затем сделайте электрические контакты между устройством и свинцовой прокладки перевозчика чипа. Наконец, загрузите устройство в разбавленный холодильник для транспортных измерений.Sem изображение одного соединения на цепи устройства 2 показано здесь. Расстояние между двумя пленками Ниобия в каждой стороне перекрестка составляет 550 нанометров на самой короткой траектории. На снимке SEM одного соединения устройства 1, которое является фотолитографически сфабрикованным, показано, что два электрода ниобия разделены расстоянием в 850 нанометров.Здесь изображены нормальные и Андреевые отражения в гибридных сверхпроводящих полупроводящих узлах. Здесь показаны вызванный температурной зависимостью сверхпроводящих зазор с выраженными субгармоническими структурами энергетического разрыва, пиками и провалами для устройства 1. При самой низкой температуре побронические структуры энергетического разрыва появляются с 3 пиками и 3 провалами.Здесь показана температурная эволюция пиков и провалов в связи с подавлением индуцированной сверхпроводимости с повышением температуры. Все характеристики значительно зависят от температуры, а самые сильные субгармонические пики энергетического разрыва наблюдаются на уровне 50 милликельвинов. Здесь показан сверхпроводящих зазор в качестве функции прикладного напряжения стока источника и температуры устройства 2.Температурные и магнитные полевые зависимости транспортных измерений устройства 2 не показывают никаких признаков в-пробел или суб-пробел колебаний, которые наблюдаются для устройства 1. Наиболее важные вещи при выполнении этой процедуры заключается в том, чтобы получить правильный уровень H для доступа к двумерного электронного газа в устройстве и формы nanojunction. Я считаю, что двухмерные соединения Джозефсона могут быть изучены с разной длиной и шириной, чтобы исследовать влияние размеров соединений на топологическую фазу наблюдения.Этот метод позволяет измерить сотни квантовых устройств в одном холодильнике охлаждения, прокладывая путь для реализации масштабируемых гибридных квантовых устройств.

Research

JoVE Journal

Engineering

Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Компактный квантовых точек для одиночных молекул изображений

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

Градиент Эхо Квантовая память в теплый атомный пар

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

Нанофабрикации Gate определенные GaAs / AlGaAs квантовых точек Боковые

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

Строительство и характеристика внешнего резонатора диодных лазеров для атомной физики

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

Масштабируемые Nanohelices для интеллектуального исследований и Enhanced 3D визуализация

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

Селективный Площадь Модификация поверхности кремния смачиваемости импульсным УФ лазерного облучения в жидкой среде

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

Кремний Металл-оксид-полупроводниковых квантовых точек для одного электрона Перекачивание

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

Изготовление и характеристика сверхпроводящие резонаторы

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

Расширение электронного впрыска и экситонных родов для чисто синий квантовых точках светоизлучающие диоды, вводя частично окисленного алюминия катод

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

Стандартные и надежный метод для изготовления двумерных наноэлектроника

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