通过电子注入操作超导沟道制造技术

本发明专利技术特别涉及一种操作超导沟道的方法。该方法依赖于一种装置，该装置包括：潜在超导材料；栅电极；以及电绝缘介质。沟道由潜在超导材料限定。该栅电极被设置成与该沟道相邻，使得该栅电极的端面面向该沟道的一部分。电绝缘介质以使栅电极与沟道电绝缘的方式布置。通过冷却该装置使沟道超导。接着，在栅电极和沟道之间施加电压差，以通过电绝缘介质将电子注入沟道中，从而在栅电极和沟道之间产生栅极电流。电子以足以改变沟道的临界电流I

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过电子注入操作超导沟道

技术介绍

[0001]本专利技术一般涉及用于操作诸如金属线的超导沟道的技术，例如，用于切换这种沟道或调制在沟道中传送的信号，它可以特别地用于量子处理设备中，或用于调节包括这种超导沟道的电路的谐振频率或截止频率。
[0002]由于超导电路的低功耗和高速度，它们提供了作为量子计算架构和相关低温控制电子装置的构建块的巨大前景。在这种情况下，期望开发可以在高频下在超导状态和电阻状态之间进行电调谐的开关装置(例如，三端装置)。最终，这种装置将实现不存在半导体对应物的新颖功能，例如低温开关、超灵敏检测器、放大器、循环器和多路复用器。已经提出了几种电控超导开关，它们基于约瑟夫逊结中的不平衡准粒子的注入。然而，约瑟夫逊结通常伴随有限的源极
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漏极临界电流和在无磁场环境中操作的需要。因此，不依赖于约瑟夫逊结的架构受到了深入的研究。这种开创性的方法基于三端或四端装置，其中电流、局部产生的奥斯特场或热将超导沟道驱动到正常状态。
[0003]量子计算的最新进展使得这种技术与工业应用更加相关。量子计算直接利用量子力学现象，例如叠加和纠缠，以对纠缠量子位，即，存储在量子位中的状态执行操作。例如，超导电路相对容易用当前技术制造，因此是进一步扩展量子信息技术的有前途的候选。
[0004]用于射频(RF)应用的切换解决方案的设备通常具有以下缺点中的一个或多个：它们在导通状态下具有导致信号耗散和/或衰减的有限电阻；它们具有有限的开/关比；它们本质上是机电的，因此导致低温应用的长期加热和缓慢切换；和/或它们宏观上是大的并且相当昂贵。

技术实现思路

[0005]根据第一方面，本专利技术被实施为一种操作超导沟道的方法。该方法依赖于一种装置，该装置包括：潜在超导材料；栅电极；以及电绝缘介质。沟道由潜在超导材料限定。栅电极邻近沟道定位，使得栅电极的端面面向沟道的一部分。电绝缘介质以使栅电极与沟道电绝缘的方式布置。冷却该装置，使得沟道变成超导。接着，在栅电极和沟道之间施加电压差，以通过电绝缘介质将电子注入沟道中，从而在栅电极和沟道之间产生栅极电流。电子以足以改变沟道的临界电流I
C
的平均能量注入。
[0006]所提出的解决方案具有附加的优点，并且可以用于多种应用。例如，本方案允许调节超导沟道的电感和电阻二者。令人感兴趣的是，所施加的电压差可以是正或负的。栅极可以特别地以非常低的功耗操作。最重要的优点是沟道的临界电流I
C
可以被调节的速度(例如，在实施例中，在小于100ns内，下降到接近1ps的值)。这又允许实现非常高的关/开切换频率。因此，超导装置可以有利地作为开关操作以局部抑制超导性(例如，作为开关)并且调制通过沟道的信号，如在实施例中。
[0007]该装置可以例如集成在现有的量子芯片上。当使用TiN作为超导材料时，本方法在等于或低于3.4K的温度下令人满意地工作。它可以特别地应用于信号复用目的。在其它应用中，该装置被配置为电路，例如LC电路或其中超导沟道被配置为线状电感器的任何电路。
这样，通过改变导线的电感，可以调谐电路的谐振频率。类似地，该谐振器可以形成量子计算机的量子位之间的频率可调谐耦合器的耦合元件的一部分。在进一步的应用中，通过改变导线的电感来调节包括线状电感器的滤波器的截止频率。对于完成性，基础的装置易于制造，可以具有非常小的尺寸，并且可以以集成方式制造。
[0008]在实施例中，施加电压差可以将临界电流I
C
降低为零，并且由此至少在沟道的该部分的水平处局部地在沟道中生成电阻。这相当于在沟道的该部分的水平处局部地使超导性失超，这是可以有利地用于切换应用的事情。
[0009]如在实施例中，施加的电压差随后可以被切断，以使潜在超导材料自复位到完全超导状态。因此，沟道的电阻可以在与电极相对的沟道部分的水平处以可控的方式局部增加，然后反向。
[0010]优选地，该方法还包括在施加电压差之前将信号施加到沟道。结果，在沟道中产生的电阻影响施加在沟道中的信号的传输。
[0011]在优选实施例中，该方法还包括重复地施加和切断电压差，以便调制所施加的信号。例如，可以以大于10MHz且小于10GHz的频率调制所施加的信号，尽管可以使用任何其它(较低)频率。
[0012]所施加的电压差可以使得所产生的栅极电流的强度比临界电流I
C
小至少十倍。例如，在施加电压差时产生的栅极电流的强度可以例如在10pA和10nA之间。
[0013]优选地，所施加的电压差可以使得电子的平均能量比潜在超导材料的超导能隙大至少100倍。
[0014]在实施例中，所施加的电压差对应于将沟道切换到其正常状态所需的最小值。对于所施加的电压差的这种值，栅电极的阻抗(如特别地由绝缘介质确定的)将优选地大于1GΩ。
[0015]优选地，该方法还包括改变所施加的电压差的强度，以便可控地生长沟道的其中生成电阻的区域。更一般地，该方法可以包括改变所施加的电压差，以便例如调节沟道的特性或由沟道的该特性暗示的特性。这样，可以显著地调节沟道的动态电感L
kin
。这又可以例如被利用来调节设备的电路的谐振频率或截止频率，其中电路具有由沟道形成的电感器，沟道被配置为导线。在变型中，该装置被配置为连接到量子处理装置的量子电路的频率可调谐耦合器，并且施加电压差以便调节频率可调谐耦合器的谐振频率并且由此修改量子电路之间的耦合。
[0016]根据另一方面，本专利技术被实现为一种装置。后者包括如上参考本方法所述的设备。即，该装置特别地包括潜在超导材料，其被构造为限定沟道(例如，构造为导线)。该装置适于在低温下操作，以便在操作中使沟道变成超导的。该装置还包括指向沟道的栅电极，以便栅电极的端面面对沟道的一部分，以及布置成使栅电极与沟道电绝缘的电绝缘介质。该装置还包括连接到栅电极的控制单元。控制单元被配置为在栅电极和沟道之间施加电压差，以便通过电绝缘介质将电子注入到沟道中，从而在栅电极和沟道之间产生栅极电流。使用中的控制单元和装置允许施加电压差以导致注入电子的平均能量，该平均能量足以在装置的操作中(在低温下)改变沟道的临界电流I
C
。
[0017]优选地，控制单元另外连接到沟道，并且控制单元还被配置为在操作中既向沟道施加信号又通过修改沟道的临界电流I
C
来改变所施加的信号。
[0018]在实施例中，控制单元还被配置为在操作中允许测量沟道的特性或由沟道的该特性暗示的特性。同时，控制单元允许根据所测量的特性可控地修改所施加的电压差，以便在操作中调节所述特性。
[0019]如本文所述，沟道可以被构造为线。在实施例中，该装置还包括电路，该电路包括电感器，该电感器包括导线或由导线形成。在这种情况下，控制单元可以进一步被配置为调节导线的动态电感L
kin
，以便调节电路的谐振频率或截止频率。
[0020]优选地，该装置包括形成电绝缘介质的衬底，并且栅电极和导线中的每一个被构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种操作超导沟道的方法，所述方法包括：提供一种装置，包括：由潜在超导材料限定的沟道，栅电极，其位置与所述沟道相邻，使得所述栅电极的端面面对所述沟道的一部分，以及电绝缘介质，其被布置成使所述栅电极与所述沟道电绝缘；通过冷却所述装置使所述沟道超导；以及在所述栅电极和所述沟道之间施加电压差，以通过所述电绝缘介质在所述沟道中注入电子，从而在所述栅电极和所述沟道之间产生栅极电流，其中，以足以修改所述沟道的临界电流的平均能量注入所述电子。2.根据前一权利要求所述的方法，其中施加所述电压差将所述临界电流降低到零，从而至少局部地在所述沟道的所述部分处在所述沟道中产生电阻。3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括：切断为所述潜在超导材料施加的电压差以自复位到完全超导状态。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法具有权利要求2的特征，其中，所述方法还包括：在施加所述电压差之前，向所述沟道施加信号，由此在所述沟道中产生电阻影响施加在所述沟道中的信号的传输。5.根据前述权利要求所述的方法，其中所述方法还包括：重复施加和切断所述电压差，以调制所施加的信号。6.根据前一权利要求所述的方法，其中所施加的信号以大于10MHz且小于10GHz的频率被调制。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在施加电压差时产生的栅极电流的强度比临界电流小至少十倍。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中施加电压差时产生的栅极电流的强度在10pA和10nA之间。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中施加电压差，使得平均能量至少比所述潜在超导材料的超导能隙大100倍。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所施加的电压差对应于将所述沟道切换到其正常状态所需的最小值，并且其中由所述电绝缘介质确定的栅电极的阻抗大于1GΩ。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法具有权利要求2的特征，其中，所述方法还包括：改变所述电压差的强度，以便可控地生长所述沟道的其中生成所述电阻的区域。12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法还包括：改变所施加的电压差，以便调节所述沟道的特性或由所述沟道的该特性暗示的特性。13.根据前一权利要求所述的方法，其中所述沟道的经调节的特性是所述沟道的动态电感。14.根据前一权利要求所述的方法，其中
所述装置还包括具有由被配置为导线的沟道形成的电感器的电路；以及调节所述动态电感，以便调节所述电路的谐振频率或截止频率之一。15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：