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维也纳技术大学发现的一种新型电子元件可能是量子信息技术时代的一把重要钥匙。通过专门的制造工艺，纯锗与铝键合在一起，可形成一种原子尖锐界面。这形成了所谓的单片金属-半导体-金属异质结构。
这种结构具有独特特性，尤其在低温下特别明显。铝变成超导体——但不仅如此，这种特性还转移到相邻的锗半导体上，可以通过电场进行具体控制。这使得它非常适合于量子技术中的复杂应用，例如处理量子比特。一个特别的优势在于，使用这种方法，不需要开发全新的制造技术。相反，成熟的半导体制造技术可用于实现锗基量子电子学。该研究结果现已发表在《Advanced Materials》杂志上。
锗：难以形成高质量的触点
维也纳技术大学固态电子研究所的Masiar Sistani博士表示：“锗是一种半导体材料，它在开发更快、更节能元器件的半导体技术中必将发挥重要作用。”然而，如果将其用于生产纳米级的元器件，则会出现重大问题，即这种材料极难生产出高质量的电触点。这与接触点处哪怕是最小杂质的高冲击有关，这些杂质会显著改变电性能。Masiar Sistani表示：“因此，我们为自己制定了一项任务，即开发一种新的制造方法，以实现可靠和可再生的触点性能。”
原子扩散
关键是温度：当纳米结构的锗和铝接触并加热时，这两种材料的原子开始扩散到相邻材料中——但扩散程度非常不同。锗原子迅速进入铝中，而铝原子几乎不扩散到锗中。Masiar Sistani解释说：“因此，如果你将两个铝触点连接到一根薄锗纳米线上，并将温度提高到350摄氏度，锗原子就会从纳米线边缘扩散出去。这就产生了空的空间，铝就很容易渗入其中。最后，纳米线中间只有几个纳米区域由锗组成，其余的都被铝填充。”
通常情况下，铝是由微小的晶粒组成的，但这种新的制造方法形成了一个完美的单晶，其中铝原子均匀排列。在透射电子显微镜下可以看到，锗和铝之间形成了一个完全干净的原子级的急剧转变，其间没有无序区域。与将电触点应用于半导体（例如通过蒸发金属）的传统方法不同，该方法在边界层处不会形成氧化物。
格勒诺布尔的量子运输
为了更仔细地观察这种锗和铝的单片金属-半导体异质结构在低温下的特性，我们与格勒诺布尔大学Néel Institute CNRS的量子电子电路组的Olivier Buisson博士和Cécile Naud博士进行了合作。事实证明，这种新型结构确实具有非常显著的特性，“我们不仅第一次证明了纯净、未掺杂锗的超导性，而且还证明了这种结构可以利用电场将其在完全不同的工作状态之间切换。这种锗量子点器件不仅具有超导性，而且可以完全绝缘，或者它可以像约瑟夫森晶体管一样工作，约瑟夫森晶体管是量子电子电路的一个重要基本元件，”Masiar Sistani解释道。
这种新型异质结构结合了一系列优点，该结构具有量子技术所需的优良物理性能，如高载流子迁移率和良好的电场可操作性，此外，它还有一个额外的优势，就是与成熟的微电子技术相融合。锗已经用于当前的芯片架构中，并且异质结构形成所需的温度与成熟的半导体制造技术兼容。这种新颖的结构不仅在理论上具有有趣的量子特性，而且在技术上也为实现更新颖节能的器件开辟了一条非常现实的途径。
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