Eerste ‘praktische’ supergeleidende transistor

Een team van RUG-natuurkundigen onder leiding van professor Justin ye heeft een supergeleidende transistor gebouwd die werkt bij een temperatuur van enkele graden Kelvin. De negatieve gate die de transistor van molybdeen disulfide schakelt tussen de supergeleidende en metallische fase werkt continu en op een lage spanning. Een dergelijke transistor is te gebruiken voor het bouwen van logische kwantumcircuits. Een artikel over de transistor is op 28 mei gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials.

Het is een enorme uitdaging om de eigenschappen van kwantum-elektronische systemen, zoals een supergeleidende fase, te schakelen. Er zijn wel supergeleidende transistor-achtige schakelingen gemaakt, maar deze prototypes hebben allerlei nadelen, legt RUG adjunct-hoogleraar Quantum Interfaces and Device Physics Justin Ye uit. ‘De meeste van deze systemen kunnen wel schakelen, maar je moet ze daarvoor opwarmen en afkoelen. En voor systemen die je continu kunt schakelen heb je een hoge spanning nodig om dat te doen. Ook moet je ze koelen tot onder de 1,5 Kelvin.’ Dat vraagt om complexe koelsystemen die gebruik maken van het zeldzame Helium-3.

Eenvoudig

Daar zet Ye nu iets veel simpelers tegenover: hij maakte een schakeling met een dubbele gate die is te schakelen tussen de metallische- en de supergeleidende fase via een lage spanning op de achter gate van 20 volt, en dat bij ongeveer 10 Kelvin. Deze schakeling van molybdeen disulfide werkt als een veld effect transistor. Ye gebruikt een ionische vloeistof gate om ladingsdragers aan het materiaal toe te voegen, net zolang totdat dit op de grens zit tussen de metallische en supergeleidende fase. Daarna kan hij met een tweede gate van hafnium oxide tussen beide fasen schakelen bij een spanning onder de 20 volt.

‘Voor zover ik weet zijn wij de eersten die een supergeleidende transistor hebben gemaakt waarmee je continu kunt schakelen bij temperaturen die relatief eenvoudig te bereiken zijn’, zegt Ye. De transistor werkt bij een temperatuur van een paar Kelvin, die te bereiken is met een vrij eenvoudige koeling die werkt met helium-4. De groep van Ye liet in 2012 al zien dat molybdeen disulfide – een halfgeleider, maar ook een veel gebruikt smeermiddel – supergeleidend wordt bij lage temperaturen. ‘We gebruikten een zelfde schakeling bij onze nieuwe experimenten, waarbij we de diëlektrische eigenschappen van de tweede gate hebben verbeterd.’

Dit proces duurde enkele jaren, maar de resultaten zijn er dan ook naar. ‘We kunnen nu een kwantum toestand aan en uit schakelen. Uiteindelijk is dat te gebruiken bij het bouwen van supergeleidende logische circuits.’ Maar hoewel de huidige schakeling alle functionaliteit heeft van een echte transistor, is zo’n toepassing nog ver weg. ‘De volgende stap is te kijken naar de frequentierespons’, zegt Ye. Al is het bouwen van zo’n toepassing niet een direct doel van zijn groep. ‘We zijn bezig met wetenschappelijk onderzoek; we maken schakelingen met het doel om nieuwe natuurkundige fenomenen en nieuwe functionaliteit te ontdekken.’

De groep van Justin Ye maakt deel uit van het Zernike Institute for Advanced Materials van de RUG.

Referentie: Qihong Chen, Jianming Lu, Lei Liang, Oleksandr Zheliuk, Abdurrahman Ali El Yumin and Jianting Ye: Continuous Low‐Bias Switching of Superconductivity in a MoS2 Transistor. Advanced Materials, online 28 mei 2018

DOI: 10.1002/adma.201800399