用于测量非局部电导的方法和装置制造方法及图纸

提供了用于测量半导体

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于测量非局部电导的方法和装置

技术介绍

[0001]拓扑量子计算基于以下现象，即，马约喇纳零模式(Majorana zero mode，MZM)形式的非阿贝尔任意子(non
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abelian anyon)可以被形成在其中半导体被耦合至超导体(即，能够与超导体进行能级杂化)的区域中。非阿贝尔任意子是一种准粒子(quasiparticle)，意味着不是真正意义上的粒子，而是电子液体中的激发，其行为至少部分地类似于粒子。MZM是这种准粒子的特定束缚态(bound state)。
[0002]在某些条件下，MZM可以在由涂覆有超导体的半导体长度形成的纳米线中、靠近半导体
‑
超导体界面形成。当MZM在纳米线中被感应时，据说它处于“拓扑机制(topological regime)”。为了感应这种情况，需要磁场，常规来说是从外部施加的磁场，并且还需要将纳米线冷却至在超导体材料中感应超导行为的温度。它还可能涉及用静电势选通(gate)纳米线的一部分。
[0003]通过形成这种纳米线的网络并且在网络的部分中感应拓扑机制，可以创建可以被操纵以用于量子计算的量子比特(量子位)。量子比特或量子位是一种要素，可以在其上执行具有两种可能结果的测量，但其在任何给定时间(未测量时)事实上可以处于对应于不同的结果的两种状态的量子叠加态中。
[0004]为了感应MZM，器件被冷却至超导体(例如铝、Al)表现出超导行为的温度。超导体在相邻的半导体中引起邻近效应(proximity effect)，由此半导体的、靠近与超导体的界面的区域也表现出超导特性。即，在相邻的半导体以及超导体中被感应出拓扑相位行为。正是在半导体的这个区域中形成了MZM。
[0005]用于感应其中可以形成MZM的拓扑相位的另一条件是施加磁场以解除半导体中的自旋简并性(spin degeneracy)。量子系统的上下文中的简并性是指不同量子态具有相同能级的情况。解除简并性意味着使这样的状态采用不同的能级。自旋简并性是指不同的自旋态具有相同能级的情况。自旋简并性可以通过磁场解除，导致不同自旋极化电子之间的能级分裂。这被称为塞曼效应(Zeeman effect)。通常，磁场由外部电磁体施加。然而，US 16/246287还公开了一种异质结构，在该异质结构中，铁磁绝缘体层被设置在超导体和半导体之间，以便内部地施加磁场从而解除自旋简并性，而不需要外部磁体。给出的铁磁绝缘体的示例包括以EuS、GdN、Y3Fe5O
12
、Bi3Fe5O
12
、YFeO3、Fe2O3、Fe3O4、GdN、Sr2CrReO6、CrBr3/Crl3、YTiO3形式的重元素化合物(重元素是铕、钆、钇、铁、锶和铼)。
[0006]感应MZMs通常还需要用静电势选通纳米线。静电势使用栅极电极来施加。施加静电势操纵半导体组件的导带或价带中的电荷载流子的数量。
[0007]如图1所图示的，为了创建其中MZM长寿命的高质量器件，优选的是具有大的拓扑带隙(gap)E
g
。拓扑相位材料(无论是超导体还是半导体中的邻近感应出超导性的区域)都表现出不同的能带：下带101和上带102。下带101是准粒子能量E落在较低范围内的带，而上带(或“激发带”)102是具有较高准粒子能量的带。拓扑带隙E
g
是上带101和下带102之间的能量窗口，其中由于准粒子能级的量子化(离散)性质，可能不存在准粒子。下带101、上带102和拓扑带隙E
g
类似于半导体中的电子的价带、导带和带隙。在上部激发带102中，准粒子
可以自由地传播通过超导体(或半导体中的邻近感应的区域)，类似于半导体中的价带中的电子。
[0008]其状态形成MZM的马约喇纳形成下带101。马约喇纳是计算空间的一部分，即，被开发用于所讨论的量子计算应用的系统的特性。换言之，MZM是量子位的操作要素。另一方面，上带102中的类粒子激发(准粒子)不是计算空间的一部分。如果这些准粒子跨过拓扑能隙(energy gap)E
g
进入下带101中，例如由于热波动，那么这将破坏至少一些MZM。这有时被称为“毒害(poison)”MZM。带隙E
g
为MZM提供了防止这种毒害的保护。准粒子存在于上带中并且从上带到下带跨过带隙E
g
的概率与成正比，其中T是温度并且k是玻尔兹曼常数。因此，拓扑带隙越大，就越能保护MZM免受上带102中的有害准粒子的毒害。
[0009]Stanescu等人(Physical Review B(物理评论B)84,144522(2011))和Winkler等人(Physical Review B 99,245408(2019))对混合半导体
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超导体器件的操作理论提供了更详细的讨论。
[0010]期望允许测量半导体
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超导体混合器件的特性，特别是允许测量拓扑带隙的大小。还期望允许为半导体
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超导体混合器件选择适当的操作参数。

技术实现思路

[0011]在一个方面中，提供了一种用于测量半导体
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超导体混合器件的半导体组件的非局部电导的方法。该半导体
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超导体混合器件包括：半导体组件，该半导体组件具有第一端子和第二端子；第一栅极电极，用于静电选通(electrostatically gate)第一端子；第二栅极电极，用于静电选通第二端子；以及超导体组件，被配置为能够与半导体组件进行能级杂化。该方法包括：将第一栅极电压施加到第一栅极电极以将第一端子选通到开放机制(open regime)；将第二栅极电压施加到第二栅极电极以将第二端子选通到隧穿机制(tunneling regime)；将偏置电压施加到第一端子；以及在施加第一栅极电压、第二栅极电压和偏置电压时，测量通过第二端子的电流。在测量期间，超导体组件被接地。
[0012]在另一方面中，提供了一种用于测量半导体
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超导体混合器件的半导体组件的非局部电导的装置，该半导体
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超导体混合器件具有半导体组件和超导体组件，该超导体组件被配置为能够与半导体组件进行能级杂化。该装置包括：处理单元；数据存储装置；以及连接电路装置，可操作地可连接至半导体
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超导体混合器件；其中数据存储装置存储代码，在由处理单元执行时，该代码使装置执行包括如下的操作：将第一栅极电压施加到第一栅极电极以将半导体组件的第一端子选通到开放机制；将第二栅极电压施加到第二栅极电极以将半导体组件的第二端子选通到隧穿机制；将偏置电压施加到第一端子；以及在施加第一栅极电压、第二栅极电压和偏置电压时，测量通过第二端子的电流。
[0013]再一方面提供了一种存储代码的计算机可读介质，在由具有连接电路装置(可操作地可连接至半导体
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超导体混合器件)的装置的处理单元执行时，该代码使装置执行包括如下的操作：将第一栅极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于测量半导体
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超导体混合器件的半导体组件的非局部电导的方法，其中所述半导体
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超导体混合器件包括：所述半导体组件，所述半导体组件具有第一端子和第二端子；第一栅极电极，用于静电选通所述第一端子；第二栅极电极，用于静电选通所述第二端子；以及超导体组件，被配置为能够与所述半导体组件进行能级杂化；所述方法包括：将第一栅极电压施加到所述第一栅极电极以将所述第一端子选通到开放机制；将第二栅极电压施加到所述第二栅极电极以将所述第二端子选通到隧穿机制；将偏置电压施加到所述第一端子；以及在施加所述第一栅极电压、所述第二栅极电压和所述偏置电压时，测量通过所述第二端子的电流；其中，在所述测量期间，所述超导体组件被接地。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述隧穿机制是深隧穿机制。3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，还包括：改变所述偏置电压、所述第一栅极电压和所述第二栅极电压中的一者或多者。4.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述半导体
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超导体混合器件被可操作地连接至包括处理单元和数据存储装置的装置，其中所述处理单元：控制所述偏置电压、所述第一栅极电压和所述第二栅极电压中的一者或多者；以及接收所述电流的测量值。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述处理单元基于所述测量值来确定在所述半导体
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超导体混合器件中感应的能隙的幅度，可选地其中所述确定包括：i)将模型拟合到所述测量值；和/或ii)标识最小偏置电压，所述最小偏置电压对应于比所述测量值的本底噪声大的非局部电导。6.根据权利要求4或权利要求5所述的方法，其中所述处理单元调整所述偏置电压、所述第一栅极电压和所述第二栅极电压中的一者或多者以提高所述能隙的所述可见性。7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中所述处理单元使用优化算法来确定所述偏置电压、所述第一栅极电压和所述第二栅极电压中的一者或多者的优化值以获得目标结果，可选地其中所述目标结果包括：i)所述测量值的信噪比，所述信噪比大于或等于预定阈值；和/或ii)在所述半导体
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超导体混合器件中感应的能隙的幅度，所述幅度在预定范围内。8.根据权利要求6或权利要求7所述的方法，其中所述处理单元选择所述偏置电压的静态值，并且改变所述第一栅极电压和/或所述第二栅极电压。9.根据任何前述权利要求所述的方法，其中所述半导体
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超导体混合器件存在于包括多个半导体
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超导体混合器件的量子位器件中。10.一种用于测量半导体
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超导体混合器件的半导体组件的非局部电导的装置，所述半导...

【专利技术属性】
技术研发人员：E，
申请(专利权)人：微软技术许可有限责任公司，
类型：发明
国别省市：