Computers die gebruik kunnen maken van de "spookachtige" eigenschappen van de kwantummechanica om problemen sneller op te lossen dan de huidige technologie, klinkt misschien aantrekkelijk, maar eerst moeten ze een enorm nadeel overwinnen. Wetenschappers uit Japan hebben mogelijk het antwoord gevonden door te demonstreren hoe een supergeleidend materiaal, niobiumnitride, als een platte, kristallijne laag aan een nitride-halfgeleidersubstraat kan worden toegevoegd. Dit proces kan leiden tot de gemakkelijke productie van kwantumqubits die zijn verbonden met conventionele computerapparatuur.

De processen die worden gebruikt om conventionele siliciummicroprocessors te vervaardigen, zijn in de loop van tientallen jaren gerijpt en worden voortdurend verfijnd en verbeterd. Daarentegen moeten de meeste quantum computing-architecturen grotendeels helemaal opnieuw worden ontworpen. Het vinden van een manier om kwantummogelijkheden toe te voegen aan bestaande fabricagelijnen, of zelfs kwantum- en conventionele logische eenheden te integreren in een enkele chip, kan de acceptatie van deze nieuwe systemen mogelijk enorm versnellen.

Nu heeft een team van onderzoekers van het Instituut voor Industriële Wetenschappen van de Universiteit van Tokyo aangetoond hoe dunne films van niobiumnitride (NbN_x ) kan direct op een laag aluminiumnitride (AlN) worden gekweekt. Niobiumnitride kan supergeleidend worden bij temperaturen lager dan ongeveer 16 graden boven het absolute nulpunt. Als gevolg hiervan kan het worden gebruikt om een ​​supergeleidende qubit te maken wanneer het is gerangschikt in een structuur die een Josephson-overgang wordt genoemd.

De wetenschappers onderzochten de impact van temperatuur op de kristalstructuren en elektrische eigenschappen van NbN_x dunne films gekweekt op AlN-sjabloonsubstraten. Ze toonden aan dat de afstand van atomen in de twee materialen compatibel genoeg was om platte lagen te produceren. "We ontdekten dat vanwege de kleine roosterafwijking tussen aluminiumnitride en niobiumnitride, er een zeer kristallijne laag zou kunnen groeien op het grensvlak", zegt eerste en corresponderende auteur Atsushi Kobayashi.

De kristalliniteit van de NbN_x werd gekarakteriseerd met röntgendiffractie en de oppervlaktetopologie werd vastgelegd met behulp van atomaire krachtmicroscopie. Daarnaast werd de chemische samenstelling gecontroleerd met behulp van röntgenfoto-elektronenspectroscopie. Het team liet zien hoe de rangschikking van atomen, het stikstofgehalte en de elektrische geleidbaarheid allemaal afhankelijk waren van de groeiomstandigheden, vooral de temperatuur. "De structurele overeenkomst tussen de twee materialen vergemakkelijkt de integratie van supergeleiders in opto-elektronische halfgeleiderapparaten", zegt Atsushi Kobayashi.

Bovendien is de scherp gedefinieerde interface tussen het AlN-substraat, dat een brede bandgap heeft, en NbN_x , wat een supergeleider is, is essentieel voor toekomstige kwantumapparaten, zoals Josephson-juncties. Supergeleidende lagen van slechts enkele nanometers dik en een hoge kristalliniteit kunnen worden gebruikt als detectoren van enkele fotonen of elektronen.

Het werk is gepubliceerd in Advanced Materials Interfaces als "Kristalfase-gecontroleerde epitaxiale groei van NbN_x supergeleiders op AlN-halfgeleiders met brede bandgap." + Verken verder

All-nitride supergeleidende qubit gemaakt op een siliciumsubstraat