Solid-state reaction synthesis of superconducting refractory-metal germanides for Ge/SiGe quantum devices
यह अध्ययन Ge/SiGe क्वांटम उपकरणों के लिए निम्न-तापमान ठोस-अवस्था संश्लेषण के माध्यम से सुपरकंडक्टिंग रिफ्रैक्टरी-मेटल जर्मेनाइड्स (V-Ge, Ta-Ge, और Nb-Ge) के निर्माण को प्रदर्शित करता है, जो यह प्रकट करता है कि यद्यपि 390°C पर उच्च-गुणवत्ता वाली सुपरकंडक्टिंग परतें बनाई जा सकती हैं, तथापि सीमित इंटरफेशियल रिएक्शन गहराई दबी हुई क्वांटम वेल्स के साथ प्रभावी एकीकरण को रोकती है।
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अगली पीढ़ी के क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक जर्मेनियम नामक सामग्री की ओर मुड़ रहे हैं। एक क्रिस्टल लैटिस की कल्पना करें, परमाणुओं का एक पूरी तरह से व्यवस्थित ग्रिड, जहाँ 'होल्स' (holes)—जो कि एक इलेक्ट्रॉन की अनुपस्थिति का स्थान है—अत्यधिक गति से चल सकते हैं और लट्टू की तरह घूम सकते हैं। ये होल्स क्वांटम सूचना, जो भविष्य के कंप्यूटर का मौलिक डेटा है, को संग्रहीत करने के लिए आशाजनक उम्मीदवार हैं। हालाँकि, इन क्वांटम बिट्स को एक जटिल मशीन में एक साथ काम करने के लिए, उन्हें दूरियों पर एक-दूसरे से बात करने की आवश्यकता होती है। इस बातचीत को सुगम बनाने के लिए, शोधकर्ता जर्मेनियम के ठीक बगल में सुपरकंडक्टर्स (अतिचालक) रखना चाहते हैं, जो वे सामग्रियां हैं जो शून्य प्रतिरोध के साथ बिजली का संचालन करती हैं। चुनौती यह है कि ये दो सामग्रियां स्वाभाविक रूप से अच्छी तरह से नहीं मिलतीं। यदि आप केवल जर्मेनियम के ऊपर एक सुपरकंडक्टर रखते हैं, तो कनेक्शन अक्सर कमजोर या क्षतिग्रस्त हो जाता है। वैज्ञानिक उन्हें कम तापमान पर एक साथ जोड़ने का तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं, क्योंकि जर्मेनियम को बहुत अधिक गर्म करने से वे नाजुक क्वांटम गुण नष्ट हो जाएंगे जिन्हें वे संरक्षित करने की कोशिश कर रहे हैं।
शोधकर्ताओं की एक टीम तीन विशिष्ट धातुओं का परीक्षण करके इस पहेली को हल करने के लिए आगे बढ़ी: वैनेडियम, टैंटलम और नियोबियम। इन्हें रिफ्रैक्टरी मेटल्स (refractory metals) के रूप में जाना जाता है, जिसका अर्थ है कि वे अविश्वसनीय रूप से कठोर हैं और उनका गलनांक उच्च है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या ये धातुएं ऐसे नए सुपरकंडक्टिंग परत को बनाने के लिए, उन अत्यधिक गर्मी की आवश्यकता के बिना, जर्मेनियम के साथ प्रतिक्रिया कर सकती हैं जो आमतौर पर ऐसे रासायनिक परिवर्तनों के लिए आवश्यक होती है। शोधकर्ताओं ने दो प्रकार के नमूनों के साथ काम किया। पहला शुद्ध जर्मेनियम का एक साधारण ब्लॉक था। दूसरा एक अधिक जटिल संरचना थी, सिलिकॉन और जर्मेनियम की परतों का एक सैंडविच, जो वास्तव में क्वांटम उपकरणों को बनाने के लिए उपयोग किया जाने वाला प्लेटफॉर्म है। इस सैंडविच में, उपयोगी जर्मेनियम गहराई में दबा हुआ है, जो सिलिकॉन-जर्मेनियम मिश्र धातु की एक ऊपरी परत द्वारा सुरक्षित है। टीम ने दोनों प्रकार के नमूनों पर इन तीन धातुओं की पतली फिल्में जमा कीं और उन्हें 365 से 390 डिग्री सेल्सियस के मध्यम तापमान तक गर्म किया, जो क्वांटम डिवाइस को सुरक्षित रखने के लिए पर्याप्त कम तापमान है।
शुद्ध जर्मेनियम पर परिणाम एक स्पष्ट सफलता थे। जब धातुओं को छोटे चरणों में लगाया गया, जिसमें गर्मी को अपना काम करने देने के लिए अंतराल भी शामिल था, तो वे पूरी फिल्म के माध्यम से पूरी तरह से प्रतिक्रिया कर गईं। वैनेडियम, टैंटलम और नियोबियम जर्मेनियम परमाणुओं के साथ पूरी तरह से मिले जिससे नए यौगिक बने जो सुपरकंडक्टिंग हो गए। टैंटलम मिश्रण ने परम शून्य से 2.1 डिग्री ऊपर के तापमान पर बिना किसी प्रतिरोध के बिजली का संचालन करना शुरू कर दिया, जबकि नियोबियम मिश्रण ने 2.8 डिग्री पर ऐसा किया। नियोबियम की परत विशेष रूप से मजबूत थी, जो एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र के संपर्क में आने पर भी सुपरकंडक्टिंग बनी रही। इसने यह सिद्ध कर दिया कि इन उपयोगी सुपरकंडक्टिंग परतों को केवल कम गर्मी का उपयोग करके बनाना भौतिक रूप से संभव है।
हालाँकि, कहानी बदल गई जब शोधकर्ताओं ने उसी प्रक्रिया को जटिल सिलिकॉन-जर्मेनियम सैंडविच पर लागू किया। धातु फिल्म के माध्यम से पूरी तरह से प्रतिक्रिया करने के बजाय, रासायनिक प्रतिक्रिया लगभग तुरंत रुक गई। धातुएं सैंडविच की ऊपरी परत के साथ केवल लगभग 5 से 12 नैनोमीटर की दूरी तक मिलीं, जो कि कुछ दर्जन परमाणुओं की चौड़ाई के बराबर है। ऊपर स्थित शेष धातु फिल्म बिना प्रतिक्रिया के और धात्विक अवस्था में ही रही। जब टीम ने इन नमूनों के विद्युत गुणों को मापा, तो उन्हें जो सुपरकंडक्टिंग सिग्नल मिला वह लगभग पूरी तरह से इस बची हुई, अप्रतिक्रियाशील धातु परत से आया था, न कि इंटरफेस पर बनी उस पतली नई सामग्री की परत से। प्रतिक्रिया बस इतनी गहराई तक पहुँचने के लिए पर्याप्त ऊर्जा या समय नहीं जुटा सकी जहाँ लक्ष्य जर्मेनियम क्वांटम वेल मौजूद है।
यह निष्कर्ष बेहतर क्वांटम कंप्यूटरों की राह में एक विशिष्ट बाधा को उजागर करता। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि कम तापमान वाली केमिस्ट्री शुद्ध जर्मेनियम पर पूरी तरह से काम करती है, लेकिन सिलिकॉन-जर्मेनियम अवरोध एक गेटकीपर की तरह कार्य करता है, जो प्रतिक्रिया को इतना धीमा कर देता है कि वह लक्ष्य तक नहीं पहुँच पाती। टीम का सुझाव है कि अंतर परमाणुओं के घूमने के तरीके में निहित है। शुद्ध जर्मेनियम में, परमाणु अपेक्षाकृत आसानी से इधर-उधर घूम सकते हैं और मिल सकते हैं। सिलिकॉन-जर्मेनियम मिश्र धातु में, सिलिकॉन परमाणुओं की उपस्थिति एक अधिक भीड़भाड़ वाला और जटिल वातावरण बनाती है जो इस गति में बाधा डालती है। शोधकर्ता प्रस्ताव देते हैं कि वास्तविक उपकरणों के लिए इसे सफल बनाने के लिए, उन्हें नमूनों को उस सीमा के करीब गर्म करने की आवश्यकता हो सकती है जिसे डिवाइस सहन कर सके, या शायद शीर्ष अवरोध को पतला करने का कोई तरीका खोजना होगा ताकि प्रतिक्रिया को कम दूरी तय करनी पड़े। फिलहाल के लिए, यह अध्ययन पुष्टि करता है कि सामग्रियां बनाई जा सकती हैं, लेकिन उन्हें डिवाइस के भीतर सही स्थान तक पहुँचाने की यात्रा अभी भी एक महत्वपूर्ण बाधा बनी हुई है।
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