Ge hut wires auf vorstrukturierten Si-Substraten

Die stets fortlaufende Verkleinerung von elektronischen Bauteilen ist kurz davor an deren physikalische Grenzen zu stoßen. Infolgedessen bedarf es alternativen Ideen wie computerbasierte Berechnungen in der Zukunft funktionieren könnten. Weltweit studiert eine Vielzahl von Forschungsgruppen Quanteneffekte in Halbleiterbauelementen in der Hoffnung solche Quanteneffekte in naher Zukunft für neue Arten von elektronischen Bauelementen nutzen zu können. In den letzten Jahrzehnten wurden erhebliche Fortschritte in der Kontrolle einiger Quanteneigenschaften erzielt, doch nun ist es an der Zeit komplexere Quantenbauteile zu entwickeln. Dieses Projekt konzentriert sich auf genau dieses Ziel. Wir werden eine neue Materialplattform erforschen: Eindimensionale Quantenstrukturen aus Ge die perfekt positioniert werden können. So wie Legosteine verwendet werden können um komplizierte Konstruktionen zu erzeugen, werden wir diese geordneten Ge-Nanodrähte (unsere Legosteine) verwenden um komplexe Bauteile zu konstruieren. Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt wird es uns möglich sein diese Nanostrukturen genauer zu untersuchen und Aufschluss über deren Potential als Quantenbits zu erhalten. Insbesondere werden wir zwei Arten von Quantenbits untersuchen: Einerseits wollen wir unter der Verwendung von externen Magnetfeldern den Spinfreiheitsgrad als Qubit nutzen, andererseits wollen wir untersuchen, ob eine neue Art von Qubit realisiert werden kann anhand der Kopplung unserer Ge-Nanostrukturen an Supraleiter (Materialien, die bei tiefen Temperaturen keinen elektrischen Widerstand zeigen). Die aus unserer Forschungsarbeit hervorgehenden Ergebnisse werden uns neue Einblicke in die Quanteneigenschaften dieser neu entwickelten Nanostrukturen liefern und es uns darüber hinaus ermöglichen das tatsächliche Potential dieses Materialsystems für weitere Anwendungen abzuschätzen.

Halbleitertransistoren, die für den Betrieb praktisch jedes elektronischen Geräts grundlegend sind, werden immer kleiner und erreichen eine Größe, bei der ihr Betrieb aufgrund der Quantenmechanik scheitert. Während die Industrie bestrebt ist, diesen sehr erfolgreichen Miniaturisierungsprozess fortzusetzen, werden in der Grundlagenforschung die Möglichkeiten verschiedener Funktionalitäten untersucht. Dies könnte die Realisierung von Quantenbits in nanoskaligen Transistoren sein. In diesem Projekt haben wir Germanium-basierte Halbleiter verwendet, um ihr Potenzial für die Realisierung skalierbarer Quantenbits zu untersuchen. Durch eine Kombination von top-down-Nanofertigung und bottom-up-Wachstum wurden selbstorganisierte Germanium Nanodrähte mit kontrollierbarer Position, Länge und Abstand realisiert. Nanoskalige Geräte wurden in solchen Nanodrähten erstellt, und die Eigenschaften einzelner Quantenpunkte wurden durch elektronische Transportmessungen bei -273,13C untersucht. Unsere Messungen zeigten das Vorhandensein von Spin-Bahn-Kopplung, die durch ein elektrisches Feld eingestellt werden kann. Dies ist eine Schlüsselkomponente für die elektrische Spinmanipulation. Darüber hinaus stellten wir fest, dass zwei benachbarte Nanorähte einander elektrostatisch beeinflussen. Das Hinzufügen oder Entfernen einer Ladung in einem Nanodraht kann vom zweiten erfasst werden. Dies ist sehr wichtig, da die oben beschriebene Ladungssensierung in Spin-Qubit-Experimenten weit verbreitet ist. Für zweidimensionale Ge/SiGe-Heterostrukturen fanden wir einen zuverlässigen Weg, Supraleitung zu induzieren. Dies wurde erreicht, indem Aluminium in die Nähe der Heterostruktur gebracht wurde, sodass es die supraleitenden Eigenschaften übernehmen kann, nämlich Ge zeigt keine Resistivität mehr. Um die besten Ergebnisse zu erzielen, wurde das Aluminium bei -196C auf die Ge/SiGe-Heterostrukturen aufgebracht. Dies ermöglicht auch das Wachstum sehr dünner Aluminiumfilme, die magnetischen Feldern von mehr als 1 Tesla standhalten können. Dies kann uns ermöglichen, Halbleiter- und Supraleiter-Qubits auf demselben Gerät zu kombinieren. Darüber hinaus konnten wir eine ideale supraleitende Diode erstellen, die dem Analogon einer Halbleiterdiode entspricht. Abhängig von der Stromrichtung ist das Gerät entweder widerstandslos, das heißt, der Strom kann ohne Verluste fließen, oder es ist resistiv.