Datorer som kan använda sig av kvantmekanikens "läskiga" egenskaper för att lösa problem snabbare än nuvarande teknik kan låta lockande, men först måste de övervinna en enorm nackdel. Forskare från Japan kan ha hittat svaret genom sin demonstration av hur ett supraledande material, niobiumnitrid, kan läggas till ett nitrid-halvledarsubstrat som ett plant, kristallint skikt. Denna process kan leda till enkel tillverkning av kvant-qubits kopplade till konventionella datorenheter.

Processerna som används för att tillverka konventionella kiselmikroprocessorer har mognat under decennier och förfinas och förbättras ständigt. Däremot måste de flesta kvantberäkningsarkitekturer designas mestadels från grunden. Men att hitta ett sätt att lägga till kvantfunktioner till befintliga tillverkningslinjer, eller till och med integrera kvantenheter och konventionella logikenheter i ett enda chip, skulle kunna avsevärt påskynda införandet av dessa nya system.

Nu har ett team av forskare vid Institute of Industrial Science vid University of Tokyo visat hur tunna filmer av niobiumnitrid (NbN_x ) kan odlas direkt ovanpå ett lager av aluminiumnitrid (AlN). Niobiumnitrid kan bli supraledande vid temperaturer kallare än cirka 16 grader över absolut noll. Som ett resultat kan den användas för att göra en supraledande qubit när den är arrangerad i en struktur som kallas en Josephson-övergång.

Forskarna undersökte temperaturens inverkan på kristallstrukturerna och de elektriska egenskaperna hos NbN_x tunna filmer odlade på AlN-mallsubstrat. De visade att avståndet mellan atomerna i de två materialen var tillräckligt kompatibla för att producera plana lager. "Vi fann att på grund av den lilla gallrets oöverensstämmelse mellan aluminiumnitrid och niobiumnitrid kunde ett mycket kristallint lager växa vid gränssnittet", säger första och motsvarande författare Atsushi Kobayashi.

Kristalliniteten hos NbN_x karakteriserades med röntgendiffraktion och yttopologin fångades med hjälp av atomkraftsmikroskopi. Dessutom kontrollerades den kemiska sammansättningen med röntgenfotoelektronspektroskopi. Teamet visade hur arrangemanget av atomer, kväveinnehåll och elektrisk ledningsförmåga alla berodde på tillväxtförhållandena, särskilt temperaturen. "Den strukturella likheten mellan de två materialen underlättar integrationen av supraledare i optoelektroniska halvledarenheter", säger Atsushi Kobayashi.

Dessutom är det skarpt definierade gränssnittet mellan AlN-substratet, som har ett brett bandgap, och NbN_x , som är en supraledare, är avgörande för framtida kvantenheter, såsom Josephson-övergångar. Supraledande skikt som bara är några nanometer tjocka och hög kristallinitet kan användas som detektorer av enstaka fotoner eller elektroner.

Verket publiceras i Advanced Materials Interfaces som "Kristallfaskontrollerad epitaxiell tillväxt av NbN_x supraledare på AlN-halvledare med stort bandgap." + Utforska vidare

Allnitrid supraledande qubit gjord på ett kiselsubstrat