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

Författarna erkänner ekonomiskt stöd från EPSRC, Grant MQIC.

Anmärkning: halvledare heterostrukturfotoniska och Hybrid S-SM Josephson Junction Fabrication presenteras.
1. halvledande heterostrukturtillverkning
Anmärkning: molekyl balken epitaxyen (MBE) som odlas i0,75ga0,25som kvantbrunnar används i denna studie23,24,25,26. Figur 1 visar sekvensen av distinkta skikt:
<ol><li>Rengör en 500 μm tjock, 3-tums semi-isolerande (001) GaAs substrat och ta bort oxidskiktet i hög temperatur (över 200 ° c)26.</li>
	<li>Justera tillväxt temperaturen vid 580 ° c och odla buffertlagret GaAs/AlAs/GaAs filmer med tjocklekar på 50/75/250 nm26.</li>
	<li>Ramp ner substrat temperaturen i 20 min och sedan växa ett steg graderat buffertskikt av InAlAs med en 1300 nm tjocklek vid start substrat temperaturer av T = 416, 390, 360, 341, 331 och 337 ° c26.</li>
	<li>Odla en 30 Nm tjock i0,75ga0,25som Quantum well 2deg vid något högre substrat temperatur26.</li>
	<li>Täck 2DEG Quantum väl med en 60 nm i0,75Al0,25som spacer, och sedan modulering Dope wafer med en 15 Nm tjock av en n-typ i0,75Al0,25som. Detta kommer att garantera värmeledningsförmåga i mörkret26.</li>
	<li>Odla en 45 nm i0,75Al0,25som skikt följt av ett lock skikt av INGAAS med tjocklek av 2 nm26.</li>
	<li>Utför mätningen av Shubnikov – de Haas oscillationer och Hall Effect för att hitta elektrontätheten (ns) och rörligheten (μe) vid temperatur T= 1,5 K26. Från transport mätningarna drog man slutsatsen att ns= 2,24 × 1011 (cm-2) och μe= 2.5 × 105 (cm2/vs) i mörker men ns= 2.28 × 1011 (cm -2) och μe= 2.58 × 105 (cm2/vs) efter belysningen.</li>
</ol>2. två-dimensionell Josephson Junction Fabrication
Anmärkning: här diskuteras tillverkningsprocessen av hybrid qics med två olika metoder23,24,25. Enhet 1 med åtta identiska långa Josephson korsningar var fabricerade endast med några steg i Photolithography bearbetning. Den andra enheten Fabrication förfarande liknade Device 1 upp till bildandet av JJs som steg e-beam-litografi användes.
<ol><li>Skiss jjs och QIC Device layout, inklusive Mesa och ohmsk mönster med hjälp av AutoCAD Software25. Starta ritningen genom att välja lämpliga lager för att bilda menyn lager väljare. Skapa ett nytt lager från format | Lagret i AutoCAD-programvaran.</li>
	<li>Designa och fabricera Photolithography mask. Välj önskade former och geometrier på panelmenyn i programvaran. Klicka på önskad form av JJs (dvs rektanglar, kvadrater) och tryck ritningsfönstret för att initiera formen (Klicka i AutoCAD Software Hjälp-menyn för mer information).</li>
	<li>Mönster jjs och qics mönster, efter att ha utvecklat fotoresist på rånet, och fabricera Mesa strukturer för att fungera som den aktiva regionen (det upphöjda området i figur 1) av Wet-etch i sura lösningar av H2så4: H2O2 : (1:8:1000)23,24,25. Skölj enheten i DI-vatten i 30-talet och torka sedan med kvävgas.</li>
	<li>Säkerställ ett etch-djup på ~ 150 Nm genom dektak ytan profiler23,24,25.</li>
	<li>Form ohmsk kontakter, att göra elektrisk kontakt mellan metall och 2deg, genom att snurra fotoresist ovanpå Wafer och sedan exponering för UV-ljus genom en foto-mask. Utveckla motstå i MF-319 för 1 min. deponera ett tunt lager, mellan 50 nm och 100 nm i guld/germanium/nickel (augeni) legering över motstå-mönstrade provet23,24,25.</li>
	<li>Etch a \u2012 140 Nm djup dike ovanpå den aktiva regionen för att bilda 2D jjs av antingen photolithografiskt (enhet 1) eller e-beam litografiskt (enhet 2) mönkning och våt etsning i syra som beskrivs ovan (jjs bör bildas långt från ohmsk kontakter, ett avstånd av > 100 μm, för att säkerställa att de normala elektronerna från denna del inte påverkar korsningen gränssnitt)23,24,25.</li>
	<li>Sputter a \u2012130 nm supraledande NB film att bilda NB-in0,75ga0,25as-NB jjs (av DC Magnetron sputtring i ar plasma),</li>
	<li>Sätt in 10/50 nm tjocka ti/au-filmer för elektriska kontakter och transport mätnings ändamål.</li>
	<li>Överföra och ladda enheten på standard av chip bärare (LCC) med hjälp av ge lack, och göra de elektriska kontakterna mellan enheten och LCC kuddar med hjälp av guld ledningar.</li>
	<li>Ladda enheterna i en 3he kryostaten eller utspädning kylskåp för transport mätningar.</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>

Författarna har inget att avslöja.

On-chip QICs består av en rad JJs baserade på supraledande indium gallium Arsenid (i0,75ga0,25as) kvantbrunnar visades. Två viktiga utmaningar med Hybrid S-SM-materialsystem som skalbarhet och gränssnitts genomskinlighet åtgärdades. Två kritiska steg gnäll protokollet inklusive tillväxt av hög kvalitet och hög rörlighet i0,75ga0,25som tvådimensionell elektron gas i halvledande heterostrukturer och närhet inducerad SUPRALEDNING i 2deg var diskuteras23,24,25.
Tillväxt på i0,75ga0,25som med steg-graderade buffertlager i GaAs substrat och även bildandet av homogena och barriär-fria gränssnitt mellan supraledare och halvledare är ett viktigt steg i en sådan hybrid 2D Quantum krets Utveckling. Det visades att med noggrann etsning av finfördelat supraledande film kan göra mycket transparenta kontakter i0,75ga0,25som kvantbrunnar vilket resulterar i detektering av inducerad supraledande gap i halvledare23 , 24 , 25.
Betydelsen med avseende på befintliga metoder är att den presenterade tekniken för 2D hybrid JJs och krets förverkligande inte kräver InSitu deposition av supraledare på halvledare i en MBE kammare efter halvledar tillväxten har färdigställda23,24,25. Den andra betydelsen är att heterostrukturfotoniska wafer kan odlas som ett skrivbord på upp till 10 cm diameter, vilket gör att tillverkningen av tusentals hybrid 2D korsningar och kretsar, så övervinna skalbarheten utmaningar Hybrid S-SM Quantum kretsar och enheter 22 , 23 , 24 , 25.
Den inducerade supraledning i kvantbrunnar, SGS på differentiell värmeledningsförmåga av 2D korsningar, och fasen sammanhängande ballistiska Quantum transport mätt i våra korsningar starkt tyder på att hybrid 2D korsningar och kretsar baserade på supraledande i 0,75 Ga0,25som 2deg råd lovande material system för skalbar Quantum bearbetning och datateknik. Vårt tillvägagångssätt kan öppna en ny väg mot kvantteknik och hjälper till att bana väg för utvecklingen av on-chip topologiska kvantkretsar för att realisera nästa generations kvantprocessorer23,24,25.

En Josephson Junction (JJ) bildas genom att sandwiching ett tunt skikt av en icke-supraledande (normalt) material mellan två supraledare1. Olika roman Quantum elektroniska och fotoniska kretsar och enheter kan byggas baserat på jjs2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14,15,16. Bland dem, JJs med halvledare som deras icke-supraledande (normal) del, eller supraledare-halvledare-supraledare (S-SM-S) JJs, har fått mycket uppmärksamhet under de senaste åren efter påstådd upptäckt av exotiska Majorana partiklar med noll elektriska laddningar vid gränssnittet för en supraledare och en semidirigering endimensionell (1d) nanowire17,18,19,20,21, 22. nanowire-baserade hybridenheter är begränsade till 1d geometri nanowire och tillverkning av Y och/eller T-strukturer ur dem-ett nödvändigt krav för Majorana fläta-är utmanande22. Den finjustering av nanowire kemiska potential, för att få tillgång topologiska faser, kräver JJs med flera elektrostatiskt grindar som orsakar en hel del frågor i komplexa enhet tillverkning av nanotrådar. För att övervinna skalbarhets frågor av 1d trådar, två-dimensionell (2D) material plattformar är mycket önskvärt19,22.
Bland 2D-material, den tvådimensionella elektron gas (2DEG) plattform-former när elektroner är begränsade till ett gränssnitt mellan två olika material i en halvledare heterostruktur-är den mest lovande kandidaten22. Kombinationen av 2DEG med supraledare och bildar hybrid 2D JJs öppnar en ny väg mot utvecklingen av nästa generations skalbara kvantsystem som topologisk Quantum Processing and Computing. De kan stödja fas sammanhängande Quantum transport, och närhet inducerad supraledning med hög överföring sannolikhet, som är grundläggande krav för topologisk fas observation. I detta avseende visar vi en QIC på ett chip som består av ett utbud av ballistiska 2D JJs som kan styras av 20 trådar. Varje korsning har två NB elektroder som supraledande del och i0,75ga0,25som kvantbrunnar i en halvledande halvledarkontakter som den normala delen. Den wafer kan lätt mönstrat för att bilda komplexa strukturer och nätverksanslutna QICs.
Fördelarna med i0,75ga0,25som 2deg inkluderar: (i) relativt stor g-faktor, (II) stark rashba spin-Orbit koppling, (III) den låga elektron effektiv massa, och (IV) att indium sammansättningen kan justeras så att bildandet jjs med hög gränssnitts genomskinlighet23,24,25. Den wafer kan odlas som en disk på upp till 10 cm dimeter, vilket gör att tillverkningen av tusentals hybrid 2D JJs och komplexa QICs nätverk så övervinna skalbarheten utmaningar av dessa Quantum enheter.
Vi diskuterar två olika metoder för anordning Fabrications: för enhet 1, en krets som innehåller åtta identiska och symmetriska jjs av 850 nm längd och 4 μm bredder är mönstrade av Photolithography23,24. Enheten 2 innehåller åtta korsningar med olika längder. De har alla samma bredd på 3 μm. Den JJs är mönstrad av e-BAM litografi25. Transport mätningar på sub-Kelvin temperaturområden i frånvaro/förekomst av magnetfält kommer att presenteras. On-chip QICs består av ett utbud av 2D NB-in0,75ga0,25as-NB jjs. De långa och korta korsningar mäts i en utspädning kylskåp med en bas temperatur på 40 mK och vätska 3han kylda kryostat med en bas temperatur på 300 MK, respektive. Enheter är vinklade med en AC-signal på 5 μV vid 70 Hz som är ovanpå korsningen DC spänning bias. En två-Terminal standard Lås-in teknik används för att mäta enhetens utgång AC-ström23,24,25.

<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

För att bilda en sammanhängande kvanttransport i hybrid supraledare-halvledare (S-SM) korsningar, är bildandet av ett homogent och barriär-fritt gränssnitt mellan två olika material nödvändigt. S-SM korsningen med hög gränssnitt öppenhet kommer sedan att underlätta observation av den inducerade hårda supraledande gap, som är det viktigaste kravet att få tillgång till topologiska faser (TPs) och observation av exotiska kvasipartiklar såsom Majorana Zero (MZM) i hybridsystem. En material plattform som kan stödja observation av TPs och möjliggör förverkligandet av komplexa och förgrenade geometrier är därför mycket krävande inom kvantbearbetning och datavetenskap och teknik. Här introducerar vi ett tvådimensionellt material system och studerar närhets inducerade supraledning i semidirigering tvådimensionell elektron gas (2DEG) som är grunden för en hybrid Quantum integrerad krets (QIC). Den 2DEG är en 30 Nm tjock i0,75ga0,25som Quantum brunn som är begravd mellan två i0,75Al0,25som barriärer i en heterostructure. Niob (NB) filmer används som supraledande elektroder för att bilda NB-in0,75ga0,25as-NB Josephson korsningar (jjs) som är symmetriska, planar och ballistiska. Två olika metoder användes för att bilda JJs och QICs. De långa korsningar var fabricerade photolithografiskt, men e-beam litografi användes för korta korsningar tillverkning. De sammanhängande kvantmekaniska transport mätningarna som en funktion av temperaturen i närvaro/frånvaro av magnetfält B diskuteras. I både enhet Fabrication metoder, närhets inducerade supraledande egenskaper observerades i i0,75ga0,25som 2deg. Det konstaterades att e-beam litografiskt mönstrade JJs av kortare längder resultera i observation av inducerad supraledande gap vid mycket högre temperaturområden. De resultat som är reproducerbara och rena tyder på att hybrid 2D JJs och QICs bygger på i0,75ga0,25som Quantum Wells kan vara en lovande material plattform för att förverkliga den verkliga komplexa och skalbara elektroniska och fotoniska Quantum kretsar och enheter.

Figur 2 a visar SEM-bilden (scanning Electron Mikroskop) på enheten 1. En kvantkrets med 20 elektriska ledningar kan ses. Konstruktionen gör det möjligt att mäta en eller serie av JJs på ett chip i ett kylskåp svalna. SEM-bilden av en korsning på kretsen av enhet 2, som var tillverkad av e-beam litografi, visas i figur 2b. Avståndet mellan två NB filmer på vardera sidan av NB-in0,75ga0,25as-NB korsningen är L= 550 Nm på den kortaste vägen. Figur 2 c visar SEM bild av en korsning av enhet 1-som är fotolitografiskt fabricerade. Här är de två NB-elektroderna åtskilda med ett avstånd av L= 850 nm.
Den Blonder-Tinkham-Klapwijk (BTK) teorin är en acceptabel modell för att beskriva Quantum transport i Hybrid S-SM korsningar27. Påverkan av supraledare orderparametrar i semidirigering 2DEG resulterar i en ickelinjär differential konduktans. Vid låga temperaturer finns det två möjliga reflektions system på NB-in0,75ga0,25som gränssnitt: normal reflektion som orsakar ingen laddning överföring genom gränssnittet och Andreev reflektioner, som sänder två laddning quanta 2e, med retroreflektion av ett hål23,24,25. Eftersom supraledande kondensat består av spinn linne Cooper par, har det reflekterade hålet motsatt spinn som inkommande elektron. Den tecknade diagram av dessa två processer visas i figur 3a, b, respektive28.
Om gränssnittet mellan NB och i0,75ga0,25som kontakt inte är transparent, det finns samexistens mellan både normala och Andreev reflekterade elektroner. Sålunda, motståndet ökar och en noll-bias topp i gapet bildas. En sådan in-gap Peak i DV/di (VSD) observeras inte i våra korsningar. Men för en homogen och barriärfri (Z= 0) gränssnitt mellan NB filmen och i0,75ga0,25som kontakt, alla incident elektroner genomgår Andreev reflektion. I ett sådant tillstånd, en överskotts ström jagEXC bildas i korsningen på grund av korrelationer av elektron-och hålliknande quasipartiklar. Därför minskar differential motståndet inom gapet och en platt U-form DIP i DV/di (VSD) observeras. Enligt BTK modell, kan det härledas att ingen tunnel barriär bildas vid NB-in0,75ga0,25som gränssnitt för båda enheterna. Därför beräknas barriär styrkan vara Z < 0,2 i våra korsningar23,24,25.
På grund av närhets effekten, inducerade gapet på cirka ΔIND ≈ 100 μeV, och 650 μeV mäts i enheterna 1 respektive 2. Temperaturberoende inducerade supraledande Gap med uttalad subharmonisk energi gap strukturer (SGS) toppar och dips för enhet 1 visas i figur 4a. De flera Andreev reflektioner (MAR) vid gränssnitten i NB-in0,75ga0,25som korsning resultera i observation av SGS i differentiell conductance. Vid den lägsta uppmätta temperaturen T= 50 mk (röd kurva) visas SGS med tre toppar (namngivna som P1, P2 och P3) och tre dips (benämnd D1, D2 och D3). Temperatur utvecklingen av topparna och dips på grund av dämpningen av den inducerade supraledningen med temperaturökning visas i figur 4b. SGS Peak positioner lyder uttrycket V = 2δ/Ne (Δ är NB gap Energy, n = 1, 2, 3,... är ett heltal, och e är elektron laddning): P1, P2, P3 och P4 positioner motsvarar ungefär 2δ/3e, 2δ/4e, 2δ/6e och den inducerade gap Edge men DIP positioner inte följer uttrycket. Alla funktioner är betydligt temperaturberoende, och de starkaste (svagaste) SGS toppar (dips) observeras vid T= 50 mk (800 MK). Det är värt att nämna att även vid temperaturer över T= 500 MK där överström inte längre kan ses, är SGS observeras men det försvinner vid T> 800 MK-när inducerad supraledning tvättas ur.
För denna enhet med ett utbud av åtta 2D jjs, i 4 av 7 korsningar, en hårdinducerad supraledande gap i i0,75ga0,25som 2deg hittades23,24. Dock visade tre korsningar en mjuk gap signatur och varken en hård-nor en mjuk-gap struktur observerades för den sista korsningen på grund av en tråd kontakt misslyckande mellan enheten och pad.
Det supraledande gapet som en funktion av tillämpad VSD -spänning och-temperatur på enhet 2 visas i figur 5a. Denna apparat mättes på en 3han kryostaten med bas temperaturen av T= 280 MK. Temperaturen och magnetfältet Dependences transport mätningar av enhet 2 visar inte några tecken på in-gap eller sub-gap svängningar som observeras för enhet 1 (se figur 5a, b). Detta kan bero på den pilformade geometrin hos korsningen som kan orsaka destruktiva störningar av MAR. Sådana funktioner kan förekomma i differentiell värmeledningsförmåga om enheten mäts vid mycket lägre temperaturer (utspädning kylskåp bas temperatur). Den inducerade klyftan dämpas och flyttas mot noll spännings bias och deras amplituder minskar med ytterligare ökning av tillämpad temperatur och magnetfält.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig1.jpg"> Figur 1 . I0,75ga0,25som/i0,75Al0,25as/GaAs heterostructure. Den schematiska bild av halvledarkontakter där en i0,75ga0,25som Quantum väl med 30 Nm tjocklek bildas \u2012120 nm under wafer ytan. NB användes som supraledande kontakter (visas i svart) för att bilda en hybrid och ballistiska nb-i0,75ga0,25som 2Deg-NB Josephson Junction. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig1large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig2.jpg"> Figur 2 : On-chip hybrid supraledande-semidirigering kvantkretsar. (a) SEM-bild av qics-enheten som visar en toppvy av en kvantkrets med 20 styrledningar och 8 plana och symmetriska jjs på ett chip. SEM bild av NB-in0,75ga0,25as-NB jjs med en i0,75ga0,25som 2deg gap längd L= 550 nm och 850 nm för e-beam litografiskt (b) och fotolitografiskt (c) fabricerade korsningar . <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig2large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig3.jpg"> Figur 3 . Normal och Andreev reflektioner i hybrid supraledande-halvledande korsningar. (a) speglande kvasipartikel reflektion utan laddning överföring genom gränssnittet. (b) Andreev reflektion medan inkommande elektron reflekteras som ett hål i motsatt spin sub-band och överföra 2e laddning i supraledande elektrod. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig3large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig4.jpg"> Figur 4 . Inducerade supraledning och SGS in i0,75ga0,25som kvantbrunnar i photolithografiskt fabricerade korsning. (a) temperaturberoende inducerade supraledande Gap med uttalade SGS toppar på grund av flera Andreev reflektioner. SGS och de inducerade gap Edge toppar, är markerade med P1 till P4 medan SGS dips är märkta med D1 till D3. b) de SGS toppar och dips som visas i (a) som en funktion av temperaturen. SGS dämpas betydligt vid T&Gt; 400 MK leder till en förskjutning mot noll bias. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig4large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57818/57818fig5.jpg"> Figur 5 . Temperaturen och magnetfältet beroende av inducerad supraledning i e-beam litografiskt fabricerade korsningar. (a) inducerade supraledande gap kontra tillämpad källa-dräneringspänning VSD vid temperaturer mellan 300 MK och 1,5 K. Kurvorna är vertikalt förskjutna för tydlighetens skull. bfärgkodade differential motstånd som funktion av VSD och vinkelrätt magnetfält vid T= 300 MK. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/57818/57818fig5large.jpg" target="_blank">Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.</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

Kvantintegrerade kretsar (QICs) bestående av array av planar och ballistiska Josephson korsningar (JJs) baserat på i0,75ga0,25som tvådimensionell ELEKTRON gas (2deg) demonstreras. Två olika metoder för tillverkning av den tvådimensionella (2D) JJs och QICs diskuteras följt av demonstration av kvantmekaniska transport mätningar i sub-Kelvin temperaturer.

Skalbara Kvantintegrerade kretsar på supraledande tvådimensionell elektron gas plattform

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

För att bilda en sammanhängande kvanttransport i hybrid supraledare-halvledare supraledare Josephson korsningar, bildandet av den homogena och barriär-fria gränssnittet mellan två olika material är nödvändig. Här introducerar vi en ny tvådimensionell materialplattform, och studerar sedan den närhetsinducerade supraledning i tvådimensionell elektrongasindiumgalliumarsenid som är en grund för en hybridkvant integrerad krets. För att utforma JJ: s och QIC enhet layout, först rengöra en indium gallium arsenide wafer med aceton och isopropylalkohol.Torka sedan enheten med kvävegas. Snurra fotoresisten ovanpå indiumgalliumarsenidrån. Baka enheten på en värmeplatta i några sekunder.Efter detta placerar du en fotomask i en maskjustering, och placerar enheten under lämpligt mönster. Exponera enheten för UV-ljus genom fotomasken av mesa och QIC layouter. Utveckla sedan resisten i MF-319-utvecklare under några minuter.Etsa mesa att fungera som den aktiva regionen genom att placera enheten i en lösning av vatten, svavelsyra och väteperoxid. Skölj enheten med avjoniserat vatten i trettio sekunder, och torka med kvävegas. Nu säkerställa en etch djup på cirka 150 nanometer med hjälp av en DEKTAK yta profiler.Rengör enheten med aceton och isopropylalkohol. Därefter bildar ohmic pad för att göra elektrisk kontakt mellan metallen och tvådimensionell elektrongas genom att snurra fotomotståndare ovanpå enheten. Baka enheten på en värmeplatta i några sekunder.Placera en fotomask i maskjusteringen, och placera enheten under lämpligt mönster. Exponera enheten för UV-ljus genom fotomasken av ohmiska mönster. Utveckla sedan resisten i MF-319-utvecklare under några minuter.Efter detta, deponera ett tunt lager av guld germanium nickellegering på resist-mönstrad provet i en förångare maskin. Efter att ha utfört liftoff i aceton, glödg enheten som 430 grader Celsius i några sekunder. Snurra fotoresist ovanpå enheten.Sedan baka enheten på en kokplatta i några sekunder. Wet-etch en 130 nanometer-djup dike ovanpå den aktiva regionen för att bilda tvådimensionella JJ: s genom photolithographically mönster och våt-etsning i syra, som tidigare beskrivits. Skär enheten i små marker.Ladda chip som innehåller en matris av tvådimensionella JJ: s på en standard blyfri chip transportören genom att använda GE lack. Gör sedan de elektriska kontakterna mellan enheten och blyfria chipbärardynor. Slutligen, ladda enheten i en utspädning kylskåp för transport mätningar.SEM-bilden av en korsning på kretsen av Device 2 visas här. Avståndet mellan två Niobium-filmer i varje sida av korsningen är 550 nanometer vid den kortaste vägen. SEM bilden av en korsning av Device 1, som är fotolitografiskt tillverkade, visar att de två Niobium elektroder separeras med ett avstånd av 850 nanometer.Normal och Andreev reflektioner i hybrid supraledande halvledande korsningar avbildas här. Temperaturberoende-inducerad supraledande gap med uttalad subharmonisk energi gap strukturer, toppar och dips för Device 1 visas här. Vid den lägsta temperaturen uppträder subharmoniska energigapsstrukturer med 3 toppar och 3 dips.Temperaturutvecklingen av topparna och doppen på grund av undertryckandet av den inducerade supraledning med temperaturökning visas här. Alla funktioner är betydligt temperaturberoende, och de starkaste subharmoniska energigapstopparna observeras vid 50 millikelvin. Det supraledande gapet som en funktion av tillämpad källavloppsspänning och temperatur hos Device 2 visas här.Temperatur- och magnetfältsberoendena transportmätningar av Enhet 2 visar inte några tecken på gap- eller delgapsvängningar, som observeras för Enhet 1. Det viktigaste när du utför denna procedur är att få rätt H-nivå för att komma åt den tvådimensionella elektrongasen i enheten och bilda nanojunktionen. Jag tror att tvådimensionella Josephson korsningar kan studeras med olika längder och bredder för att undersöka effekten av junctions'dimensions på topologiska fas observation.Denna teknik gör det möjligt att mäta hundratals kvantenheter i ett kylskåp cooldown, banar väg för förverkligandet av skalbara hybrid kvantenheter.

Research

JoVE Journal

Engineering

Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Kompakta kvantprickar för enda molekyl 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 minne 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

Nanotekniklaboratoriet av Gate-definierade GaAs / AlGaAs Lateral kvantprickar

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 och karakterisering av externa Cavity diodlasrar för atomfysik

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

Skalbara Nanohelices för Predictive Studier och Enhanced 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 Ändring av Silicon ytvätbarhet av pulsad UV laserstrålning i flytande miljö

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

Kisel-oxid-halvledare Quantum Dots för enkelelektron Pumping

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

Tillverkning och karakterisering av supraledande 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

Förbättrad Electron injektion och Exciton inneslutning för ren blå Quantum-Dot lysdioder genom att införa delvis oxiderade aluminium katod

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 och pålitlig metod att fabricera tvådimensionell nanoelektronik

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