用于测量非局部电导的方法和装置与流程

用于测量非局部电导的方法和装置


背景技术：

1.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-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)。
2.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。
3.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。
4.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。
5.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)。
6.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。
7.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)eg。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eg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eg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。
8.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)eg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eg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eg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。
9.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-超导体器件的操作理论提供了更详细的讨论。
10.期望允许测量半导体-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-超导体混合器件选择适当的操作参数。


技术实现要素：

11.在一个方面中，提供了一种用于测量半导体-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-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。
12.在另一方面中，提供了一种用于测量半导体-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-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-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。
13.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-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。
14.该发明内容的提供是为了以简化的形式介绍下面在具体实施方式中进一步描述
的概念的选择。该发明内容不旨在标识要求保护的主题的关键特征或者必要特征，也不旨在被用于限制要求保护的主题的范围。要求保护的主题也不被限于解决本文提到的任何或所有缺点的实施方式。
附图说明
15.为了辅助理解本公开的实施例并且示出这种实施例可以如何实施，仅通过示例参照附图，在附图中：
16.图1是图示了拓扑带隙的概念的图；
17.图2a是说明性半导体-超导体混合器件的示意性横截面；
18.图2b是图2a所示类型的器件的扫描电子显微镜sem显微照片；
19.图3是用于测量半导体-超导体混合器件的半导体组件的非局部电导的装置的框图；
20.图4是概述了用于测量半导体-超导体混合器件的非局部电导的方法的流程图；
21.图5是示出了示例1中讨论的结果的曲线图。
22.图2a和图3未按比例绘制。在图3中，为了便于表示，半导体-超导体混合器件的相对大小被夸大。
具体实施方式
23.动词
‘
包括’在本文中被用作
‘
包括或由
…
组成’的简写。换言之，虽然动词
‘
包括’旨在作为开放性术语，但明确设想用封闭术语
‘
由
…
组成’替换该术语，特别是在与化学成分结合使用的情况下。
24.诸如“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上方”、“下方”、“水平”和“竖直”等方向性术语在本文中为了便于描述而使用，并且涉及附图所示的取向。为了避免任何疑问，该术语并非旨在限于外部参考系中的取向。
25.如本文使用的，术语“超导体”是指当冷却至低于材料的临界温度tc的温度时变得超导的材料。使用这些术语并非旨在限制器件的温度。
[0026]“纳米线”是具有纳米级宽度和至少100或至少500或至少1000的长宽比的细长构件。纳米线的典型示例的宽度在范围10至500nm内，可选地为50至100nm或75至125nm。长度通常为微米量级，例如至少1μm或至少10μm。
[0027]
在本公开的上下文中，术语“耦合”是指能级的杂化。
[0028]“半导体-超导体混合结构”(在本文中也称为“混合器件”)包括半导体组件和超导体组件，该半导体组件和超导体组件可以在某些操作条件下彼此耦合。具体地，该术语指的是能够示出拓扑行为的结构，诸如马约喇纳零模式，或对量子计算应用有用的其他激发。操作条件通常包括将结构冷却至超导体组件的tc以下的温度，向结构施加磁场，并且向结构应用静电选通。通常，半导体组件的至少一部分与超导体组件紧密接触，例如超导体组件可以被外延生长在半导体组件上。然而，已经提出了在半导体组件和超导体组件之间具有一个或多个其他组件的某些器件结构。
[0029]
已经报告了使用局部电导测量表征半导体-超导体混合器件。在局部电导测量中，测量超导体组件和半导体组件的一个端子之间的电导。
[0030]
本文提供了用于测量混合器件的非局部电导的方法。非局部电导测量可以允许更好地表征半导体-超导体混合器件的特性和行为。例如，在器件中感应的拓扑带隙的大小可以基于非局部电导数据来确定。进一步地，已经发现，通过以特定方式对半导体-超导体混合器件进行静电选通，测量值的信噪比的提高可以被实现。
[0031]
半导体-超导体混合器件的说明性示例首先将参照图2描述。图2示出了该器件的示意性横截面。
[0032]
器件200包括衬底、半导体-超导体混合结构和栅极堆叠体。
[0033]
衬底210提供了基底，在该基底上制作器件的其他部分。衬底可以包括晶体材料的晶圆。晶圆材料未被特别限制。晶圆可以包括高带隙半导体，例如选自磷化铟、砷化镓和锑化镓的材料。
[0034]
半导体-超导体混合结构包括半导体组件212和超导体组件216。
[0035]
半导体组件212被布置在衬底210上。半导体组件通常包括纳米线或纳米线网络。纳米线网络包括两个或多个连接的纳米线，并且在平面上可以具有分支结构。
[0036]
半导体组件可以包括任何合适的半导体材料。例如，半导体组件112可以包括iii-v半导体材料，诸如公式1的材料：
[0037]
inas
x
sb
1-x
(公式1)
[0038]
其中x在范围0至1内。换言之，半导体组件112可以包括锑化铟(x＝0)、砷化铟(x＝1)，或包括50％的铟(基于摩尔)和可变比例的砷和锑(0《x《1)的三元混合物。已经发现公式1的材料与诸如铝等超导体材料特别好地耦合。
[0039]
可用作半导体组件的另一类材料是ii-vi半导体材料。ii-vi半导体材料的示例包括碲化铅和碲化锡。
[0040]
在器件的制作期间，半导体组件212可以被外延生长在衬底210上，例如使用选择性面积生长。选择性面积生长使用布置在衬底210上的电介质掩模214来控制半导体组件212生长的地点。在选择性面积生长被用于制作器件的实施方式中，电介质掩模214可以保留在完成的器件中。可用作电介质掩模的材料的示例包括氧化硅(sio
x
)、氮化硅(sin
x
)、氧化铝(aio
x
)和氧化铪(hfo
x
)。可以存在两个或多个电介质层。
[0041]
诸如例如气-液-固工艺等其他工艺可以被用于制作半导体组件。
[0042]
所图示的半导体组件212具有大致梯形的横截面。然而，横截面形状未被特别限制，并且可以取决于例如制作半导体组件所选择的工艺和条件而变化。
[0043]
该混合结构还包括超导体组件216。超导体组件216被布置在半导体组件212上。半导体组件212和超导体组件216被配置为允许半导体组件212与超导体组件216耦合。这种耦合允许在某些条件下感应对量子计算有用的激发。
[0044]
在所图示的示例中，超导体组件216与半导体组件212直接接触。例如，超导体组件216可以被外延生长在半导体组件212上。然而，直接接触对于实现耦合并不一定是必不可少的。已经提出了其中诸如铁磁绝缘体等又一组件可以被布置在半导体组件212和超导体组件216之间的器件结构。
[0045]
超导体的性质未被特别限制，并且可以被适当地选择。超导体通常是s波超导体。本领域已知的各种s波超导体中的任何一种可以被使用。示例包括铝、铟、锡和铅，在一些上下文中铝是优选的。在铝被使用的实施方式中，超导体组件216可以例如具有在4至10nm范
围内的厚度。据报告，厚度在该范围内的铝层与公式1的半导体材料耦合得特别好(winkler等人(physical review b 99,245408(2019))。
[0046]
器件200可以包括其中半导体组件212上不存在超导体组件的区域。换言之，超导体组件216不一定沿着半导体组件212的整个长度延伸。具体地，在半导体组件212的端部处的端子区域可以不存在超导体。
[0047]
器件200还包括栅极堆叠体，该栅极堆叠体包括栅极电极220以及被布置在栅极电极和器件的其他部分之间的电介质218。所图示的示例是顶栅的(top-gated)，其中栅极堆叠体被布置在器件100的其他组件的顶部上。
[0048]
栅极电极的目的通常是在使用期间向半导体组件212施加静电场，以操纵半导体组件212的导带中的可用电荷载流子的数量。
[0049]
电介质218用于防止或减少从栅极电极流入器件的其他组件的电流。任何这种电流都被称为漏电流。这种器件中的漏电流可以取决于各种因素，包括电介质材料218的层的质量，例如纯度和厚度。
[0050]
选通可以被应用于半导体组件212的任何部分。用于选通半导体组件的存在超导体组件的区域的栅极电极可以被称为柱塞栅极(plunger gate)。用于选通半导体组件的不存在超导体组件的区域的栅极可以被称为切割器栅极(cutter gate)。图2所图示的栅极电极220是柱塞栅极的示例。
[0051]
本文使用的半导体-超导体器件在端子区域处(换言之，半导体组件212的端部处)具有切割器栅极。该器件还可以包括一个或多个柱塞栅极。
[0052]
图2仅示出了半导体-超导体混合器件的一个说明性示例，并且许多变化是可能的。
[0053]
示例器件是顶栅的。栅极堆叠体的其他配置也是可能的。该器件可以是底栅的。在底栅器件中，栅极电极可以被布置在半导体组件下方，例如在衬底的与半导体组件相对的表面上。在这种配置中，衬底可以用作栅极电介质。侧栅器件也是可能的，其中栅极电极与半导体组件横向间隔开。包括电介质材料层对于侧栅器件是可选的，因为可以在栅极电极和半导体器件之间留下空白的空间并且可以用作电介质。
[0054]
示例器件是水平取向的，换言之，纳米线的长度方向平行于衬底的表面延伸。本文提供的方法同样适用于竖直取向的器件。在us 2020/0027030a1和us 2020/0027971 a1中描述了竖直取向器件的示例。
[0055]
现在将参照图3描述用于测量非局部电导的示例装置。图3是示出了连接至半导体-超导体混合器件的使用中的装置的框图。该装置可以可移除地可连接至半导体-超导体混合器件，使得当该装置不使用时，半导体-超导体混合器件可能不存在。替代地，该装置可以被永久地连接至半导体-超导体混合器件。
[0056]
如先前参照图2描述的，半导体-超导体混合器件310包括纳米线形式的半导体组件312和超导体组件314。图3附加地图示了半导体-超导体混合器件具有分别提供有切割器栅极316、318的第一端子和第二端子。
[0057]
至少在该装置在使用中时，超导体组件被连接至地。
[0058]
混合器件310的第一端子被连接至电压源320，以向半导体组件312施加已知的偏置电压。第一端子可以是发射极端子。混合器件310的第二端子被连接至用于测量通过第二
端子的电流的电流计。第二端子可以是接收器端子。
[0059]
在本文提供的示例中，第一端子和第二端子也分别被称为左端子和右端子。要了解的是，这仅仅是为了便于描述，而不是旨在限制端子在空间中的相对位置。
[0060]
装置340包括处理单元342、数据存储装置344和连接电路装置346。处理单元被可操作地链接至数据存储装置344和连接电路装置346。数据存储装置220存储计算机程序，在由处理单元342执行时，该计算机程序使装置执行本文描述的方法。
[0061]
装置340还可以包括可选的用户终端。用户终端可以包括用户输入装备和显示设备。
[0062]
用户输入装备可以包括本领域已知的用于接收来自用户的输入的任何一个或多个合适的输入设备。输入设备的示例包括指向设备，诸如鼠标、手写笔、触摸屏、触控板和/或轨迹球。输入设备的其他示例包括键盘、在与语音识别算法一起使用时的麦克风和/或在与手势识别算法一起使用时的摄像机。
[0063]
在本文参照通过用户输入设备接收来自用户的输入的情况下，这可能意味着通过构成用户输入设备的任何一个或多个用户输入设备。
[0064]
用户输入设备可以用于允许用户指定要研究的参数的值，诸如要使用的偏置电压和栅极电压。当参数以某种其他方式(例如编程地或基于通过网络接收的消息)确定时，用户输入设备可以被省略。
[0065]
显示设备可以采用任何合适的形式来输出图像，诸如发光二极管(led)屏幕、液晶显示器(lcd)、等离子体屏幕或阴极射线管(crt)。显示设备可以包括触摸屏，并且因此也形成用户输入设备的至少一部分。触摸屏可以经由被用户的手指触摸和/或使用手写笔来实现输入。
[0066]
包括显示设备是可选的。显示设备在期望向用户显示图形或其他人类可读输出的示例中是有用的。
[0067]
处理单元342可以被实施在一个或多个地理位置处的一个或多个管芯、ic(集成电路)封装件和/或外壳中。可能存在多于一个处理单元。
[0068]
一个或多个处理单元中的每个处理单元可以采用本领域已知的任何合适的形式，例如通用中央处理单元(cpu)或专用形式的协处理器或加速器处理器，诸如图形处理单元(gpu)、数字信号处理器(dsp)等。一个或多个处理单元中的每个处理单元可以包括一个或多个核心。处理单元通常是经典的，而不是量子处理单元。
[0069]
在所述的计算机程序使用处理装置执行的情况下，这可能意味着由该装置中存在的任何一个或多个处理单元执行。
[0070]
处理单元342通常还包括工作存储器，诸如随机存取存储器和/或一个或多个存储器缓存。
[0071]
数据存储装置344包括在一个或多个地理位置处的一个或多个外壳中的一种或多种存储器介质中实施的一个或多个存储器单元。
[0072]
一个或多个存储器单元中的每个存储器单元都可以使用本领域已知的任何合适的计算机可读存储介质，例如磁性存储介质，诸如硬盘驱动器、磁带驱动器等；或者电子存储介质，诸如固态驱动器(ssd)、闪存存储器或电可擦除可编程只读存储器(eeprom)等；或光学存储介质，诸如光盘驱动器或基于玻璃或存储器晶体的存储装置等。如本文使用的，术
语“计算机可读存储介质”特别指非瞬态计算机可读存储介质。
[0073]
在所述的某个数据项被存储在数据存储装置344或其区域中的情况下，这可能意味着存储在构成数据存储装置344的任何一个或多个存储器设备的任何部分中。
[0074]
处理单元342和数据存储装置344被可操作地链接。处理单元和数据存储装置被配置为使得处理单元344能够从数据存储装置344的至少一部分读取数据，并且可选地将数据写入数据存储装置344的至少一部分。处理单元342可以通过本地连接(例如物理数据总线)和/或经由诸如局域网或互联网等网络与数据存储装置344通信。在后一种情况下，网络连接可以是有线的或无线的。
[0075]
装置340还包括可操作地可连接至半导体-超导体混合器件的连接电路装置346。在所图示的示例中，连接电路装置被配置为允许装置340控制施加到第一切割器栅极316和第二切割器栅极318的栅极电压；控制或接收由电压源320施加的偏置电压的测量值；并且使用电流计330测量通过第二端子的电流。
[0076]
当半导体-超导体混合器件包括一个或多个其他栅极电极(例如切割器栅极)时，连接电路装置可以附加地被配置为允许装置控制施加到(一个或多个)其他栅极电极的(一个或多个)栅极电压。
[0077]
电压源320和电流计330可以是装置340的组件，或者可以可移除地可连接至装置340。
[0078]
装置的一个或多个组件可以与半导体-超导体混合器件布置在同一管芯上。装置的一个或多个组件可以与半导体-超导体混合器件布置在同一电路板上。在装置用于控制量子位器件的操作参数的实施方式中，将装置布置在与混合器件相同的管芯或相同的电路板上可能特别有用。
[0079]
半导体-超导体混合器件在低温室(cryogenic chamber)中操作，以允许感应超导行为。装置340的组件可以被布置在低温室的外部。具体地，电压源和处理单元可以在低温室的外部。低温室具有有限的制冷能力，也称为热预算，并且通常期望最小化室中存在的热生成组件的数量。
[0080]
所图示的示例示出了被连接至单个半导体-超导体混合器件的装置。替代地，该装置可以被配置为被同时连接至多个半导体-超导体混合器件。多个半导体-超导体混合器件可以例如被布置在量子位器件中。
[0081]
替代性装置可以在本文描述的方法的实践中被使用。所使用的装置未被特别限制，只要栅极电压可以被控制，已知的偏置电压就可以被施加到第一端子，并且通过第二端子的电流可以被测量。使用处理单元和数据存储装置来控制施加的电压并且记录测量值是可选的。
[0082]
图4是概述了用于测量半导体-超导体混合器件的非局部电导的方法的流程图。如参照图2和图3描述的，混合器件具有第一端子和第二端子，被提供有相应的切割器栅极。在测量期间，超导体组件被连接至地。
[0083]
在框401中，将第一栅极电压施加到第一栅极电极316以将第一端子选通到开放机制。换言之，第一栅极电压被选择以增加半导体中在第一端子处的可用电荷载流子的数量。这使得第一端子处的半导体进入导电机制。
[0084]
当端子具有大于或等于以下的局部电导时，端子被认为是“开放”的，换言之处于
开放机制：
[0085][0086]
其中e是基本电荷(即，单个电子的电荷的绝对值)，并且h是普朗克常数。
[0087]
局部电导是在端子和超导体组件之间测量的电导。局部电导可以是高偏置局部电导。高偏置局部电导是在施加大于超导能隙大小的偏置电压时测量的局部电导，例如是超导带隙大小的至少两倍的偏置电压。具体地，局部电导可以在偏置电压处于超导带隙大小的两倍时被测量。局部电导可以被测量，如anselmetti等人在phys.rev.b100,205412(2019)中描述的。
[0088]
同时，在框402中，将第二栅极电压施加到第二栅极电极318，以将第二端子选通到隧穿机制。通常，第一栅极电压和第二栅极电压将是不同的。
[0089]
在隧穿机制中，对抗通过第二端子的电荷流的能垒(energy barrier)被生成。第二端子被调谐到传统的不导电状态。通过第二端子的任何电流都是通过量子隧穿的。
[0090]
当端子具有小于但不等于以下的高偏置局部电导时，端子处于隧穿机制：
[0091][0092]
其中e是基本电荷(即，单个电子的电荷的绝对值)，并且h是普朗克常数。
[0093]
具体地，第二端子可以被选通到深隧穿机制。深隧穿机制中的端子具有小于或等于以下的高偏置局部电导：
[0094]
0.1e2/h
[0095]
其中e是基本电荷(即，单个电子的电荷的绝对值)，并且h是普朗克常数。
[0096]
与第一端子的局部电导一样，第二端子的局部电导是第二端子和超导体组件之间的电导。局部电导可以是高偏置局部电导，在施加大于超导带隙大小的偏置电压时被测量，可选地是超导带隙大小的至少两倍。具体地，高偏置局部电导可以在偏置电压处于超导带隙大小两倍时被测量。
[0097]
在框403中，经由第一端子向半导体组件施加偏置电压。所施加电压的幅度是已知的或测量的。偏置电压被施加，同时将第一栅极电压和第二栅极电压施加到相应端子。
[0098]
在框404中，在执行框401、402和403的操作时，测量通过第二端子的电流。
[0099]
当施加的电压超过与混合器件的半导体组件中的感应能隙相对应的阈值时，电流流动。
[0100]
半导体组件的电导然后可以基于施加到第一端子的偏置电压和通过第二端子的电流的值而被计算。这种电导是“非局部”电导，因为它代表了从第一端子到第二端子的通过纳米线的整个长度的电导。相反，在“局部”电导测量中，混合器件的一个端子和超导体组件之间的电流被测量。
[0101]
通过将第一端子选通到开放机制并且将第二端子选通到隧穿机制，具有良好信噪比的可检测信号可以被实现。
[0102]
测量非局部电导的其他方法使用了对称选通，向两个端子施加相同的栅极电压。已经发现，将两个端子选通到开放(open)或中间(intermediate)机制(mechanism)会给出噪声信号，而将两个端子选通为关闭(closed)不会给出通过纳米线的可测量电流。
[0103]
可以对该方法进行各种修改。
[0104]
偏置电压可以被改变，并且通过第二端子的电流可以根据偏置电压来测量。例如，对偏置电压的扫描可以被执行。要扫描的范围可以根据半导体-超导体混合器件的特点适当地被选择。例如，扫描可以覆盖范围为-500到+500μv的偏置电压，可选地-300到+300μv，可选地0到500μv，可选地0到300μv。
[0105]
执行这种扫描可以用于确定最小偏置电压，该最小偏置电压将使电流从半导体组件的端子中的一个端子流到半导体组件的端子中的另一端子。该最小偏置电压可以提供半导体-超导体混合器件中的感应能隙的大小的指示。
[0106]
通过确定测量的非局部电导值超过预定阈值的偏置电压，拓扑带隙的大小的测量可以根据电导数据而被获得。预定阈值被设置为大于装置的本底噪声(noise floor)。本底噪声是装置内所有噪声源和不需要的信号的总和，除代表非局部电导的信号外的所有信号都被认为是“不需要的”。
[0107]
替代地，可以通过计算电导相对于所施加偏置电压的一阶导数并且找到在其处一阶导数具有非零斜率的最低所施加偏置电压，来根据电导数据获得拓扑带隙的大小。
[0108]
根据再一种可能性，拓扑带隙的大小可以通过将曲线拟合到数据并且估计与最低偏置电压下的峰值位置相关联的带隙大小来确定。
[0109]
用于基于非局部电导测量确定感应带隙大小的其他技术可以被使用。
[0110]
另外，或者作为改变偏置电压的替代方案，第一栅极电压和第二栅极电压中的一者或两者可以被调整。具体地，栅极电压可以在施加固定偏置电压的同时被调整。
[0111]
调整栅极电压可以允许信噪比用于优化测量值的信噪比。
[0112]
调整栅极电压也可以修改半导体-超导体混合器件的行为。例如，改变栅极电压中的一者或两者可以改变在混合器件中感应的能隙的幅度。栅极电压可以被调整以使感应能隙(例如拓扑带隙)的大小最大化。替代地，栅极电压可以被调整以获得具有在预定范围内的大小的感应能隙。预定范围可以是超导体组件的超导体带隙的20％至80％的范围。
[0113]
在混合器件包括一个或多个其他栅极电极的示例中，栅极电压可以在测量期间被施加到其他电极。施加到(一个或多个)其他电极的(一个或多个)栅极电压可以被改变，例如以使感应能隙的大小最大化，或者获得预定范围内的感应能隙。
[0114]
对半导体-超导体混合器件的操作参数的值的调整可以基于优化算法来执行。优化算法的性质未被特别限制，并且可以从机器学习领域中已知的各种优化算法中适当地选择。优化可以包括迭代调整。例如，诸如随机梯度下降(stochastic gradient descent)等梯度下降或上升算法可以被使用。
[0115]
优化算法可以改变从偏置电压、第一栅极电压和第二栅极电压中选择的一个或多个参数的值。当存在一个或多个其他栅极电极时，一个或多个参数可以包括用于(一个或多个)其他栅极电极的(一个或多个)栅极电压。
[0116]
一个或多个参数的初始值可以基于从用户接收的输入，例如经由装置340的用户输入设备。替代地，初始值可以通过程序确定，例如基于来自先前优化的存储值或者基于半导体-超导体混合器件的模型(model)或模拟(stimulation)。
[0117]
优化算法可以被配置为确定一个或多个参数的优化值，这些值对应于目标结果。目标结果可以是用于非局部电导测量值的最大信噪比。目标结果可以是诸如拓扑带隙等感
应能隙的最大幅度和/或可见性。目标结果可以是获得大小在预定范围内的感应能隙，例如超导带隙大小的20％至80％。感应能隙的幅度可以如上所述来确定。
[0118]
优化算法的输出包括一个或多个参数的优化值。优化值可以被写入数据存储装置，诸如装置340的数据存储装置344；以人类可读格式输出，例如被显示在装置340的显示设备上；通过网络发送到另一实体；和/或由例如装置340用于控制器件的操作。
[0119]
在优化值被写入数据存储装置的实施方式中，如果重复优化被执行，那么重复的初始值可以基于存储的优化值来确定。周期性地(例如每天或每周)重复对同一器件的优化可能是有用的，因为某些混合结构可能会随着时间的推移而退化。
[0120]
根据机器学习算法，例如人工神经网络，从偏置电压、第一栅极电压和第二栅极电压中选择的一个或多个参数可以被选择。
[0121]
机器学习算法的训练数据可以包括多个混合器件方面的偏置电压、第一栅极电压和第二栅极电压的优化值。训练数据可以包括通过实验获得的经验数据，例如手动优化的结果和/或使用上述优化算法生成的存储的优化值。附加地或替代地，训练数据可以包括通过模拟生成的优化值。
[0122]
机器学习算法可以被配置为确定一个或多个参数的优化值，这些值对应于目标结果。目标结果可以是用于非局部电导测量值的最大信噪比。目标结果可以是感应能隙的最大幅度和/或可见性(visibility)。目标结果可以是获得具有在预定范围内的幅度的感应能隙。
[0123]
尽管示例方法已经参照单个半导体-超导体混合器件描述，但是该方法可以对多个半导体-超导体混合器件执行。多个半导体-超导体混合器件可以例如被布置为量子位器件。多个混合器件中的各个混合器件的非局部电导可以被连续地或并发地测量。这对于选择量子位器件的操作参数可能是有用的，例如标识在各个混合器件具有在期望范围内的幅度的感应带隙时的(一个或多个)偏置电压和(一个或多个)栅极电压。
[0124]
要了解，以上实施例仅通过示例描述。
[0125]
更一般地，根据本文公开的一个方面，提供了一种用于测量半导体-超导体混合器件的半导体组件的非局部电导的方法。半导体-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；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；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；其中，在测量期间，超导体组件被接地。已经发现，通过将半导体组件的第一端子调谐到开放机制，将第二端子调谐到隧穿机制，向第一端子施加偏置电压，并且测量通过第二端子的电流，具有良好信噪比的通过半导体组件的非局部电导的测量值可以被获得。非局部电导随后可以被用于确定混合器件的特性。
[0126]
第一栅极电极和第二栅极电极可以分别是切割器栅极。换言之，第一端子和第二端子可以是半导体组件的在其之上不具有超导体材料的区域。
[0127]
半导体组件可以包括具有第一端部和第二端部的半导体材料的纳米线。超导体组件可以被布置在纳米线的一部分之上。超导体组件可以与纳米线的第一端部和第二端部间
隔开以限定第一端子和第二端子。
[0128]
隧穿机制可以是深隧穿机制。
[0129]
该方法还可以包括改变偏置电压、第一栅极电压和第二栅极电压中的一者或多者。改变所施加的电压可以改变半导体-超导体混合器件的行为。
[0130]
本文提供的方法可以由计算机控制。例如，半导体-超导体混合器件可以被可操作地连接至包括处理单元和数据存储装置的装置。处理单元可以控制偏置电压、第一栅极电压和第二栅极电压中的一者或多者；并且接收电流的测量值。
[0131]
处理单元可以是经典的处理单元。
[0132]
该方法还可以包括基于测量值确定半导体-超导体混合器件中感应的能隙的幅度。例如，该确定可以包括标识最小偏置电压，该最小偏置电压对应于比测量值的本底噪声(noise floor of the measurement)大的非局部电导。该确定可以包括将模型拟合到测量。
[0133]
该确定可以由装置的处理单元来执行。
[0134]
该方法可以包括调整偏置电压、第一栅极电压和第二栅极电压中的一者或多者。调整可以由处理单元控制。例如，处理单元可以执行上文描述的优化算法。处理单元可以使用优化算法来确定与目标结果相对应的偏置电压、第一栅极电压和第二栅极电压中的一者或多者的优化值。
[0135]
替代地，调整和/或优化可以被手动控制。
[0136]
目标结果可以是提高带隙的可见性，例如获得大于预定阈值的非局部电导。预定阈值可以是用于执行测量的装置的本底噪声。
[0137]
目标结果可以包括测量值的信噪比(ratio for the measurement)，它大于或等于预定阈值。
[0138]
目标结果可以包括在半导体-超导体混合器件中感应的能隙的幅度，该幅度在预定范围内。
[0139]
预定范围可以是超导体组件的超导体带隙的20％至80％的范围。据信，幅度在该范围之外的感应带隙可能对量子计算不太有用。
[0140]
替代地，预定范围可以是大于或等于预定阈值的范围。
[0141]
处理单元可以选择偏置电压的静态值，并且改变第一栅极电压和/或第二栅极电压。
[0142]
半导体-超导体混合器件可以存在于包括多个半导体-超导体混合器件的器件中。包括多个半导体-超导体混合器件的器件可以例如是量子位器件。
[0143]
非局部电导测量可以并发地或连续地对多个半导体-超导体混合器件中的各个半导体-超导体混合器件执行。
[0144]
多个半导体-超导体混合器件中的各个半导体-超导体混合器件的感应带隙(例如拓扑带隙)可以被确定。
[0145]
多个半导体-超导体混合器件中的各个半导体-超导体混合器件的偏置电压、第一栅极电压和第二栅极电压可以被独立地选择。换言之，施加到各个器件的电压可以是不同的。电压可以如上所述来调整，例如在半导体-超导体混合器件中感应出在预定范围内的能隙。
[0146]
另一方面提供了一种用于测量半导体-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-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-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。该装置可用于执行本文提供的方法。
[0147]
该装置可以被配置为实施上面相对于方法方面描述的操作。
[0148]
隧穿机制可以是深隧穿机制。
[0149]
该装置可以包括半导体-超导体混合器件。在这种实施方式中，连接电路装置被连接至半导体-超导体混合器件。
[0150]
操作还可以包括将超导体组件连接至地。替代地，半导体-超导体器件可以被配置为使得超导体组件被连接至地。
[0151]
操作还可以包括基于测量值确定半导体-超导体混合器件中感应的能隙的幅度。该确定可以包括将模型拟合到测量。该确定可以包括标识最小偏置电压，该最小偏置电压对应于比测量值的本底噪声大的非局部电导。
[0152]
该操作还包括调整第一栅极电压、第二栅极电压和偏置电压中的一者或多者。例如，操作可以包括选择和施加静态偏置电压，并且调整第一栅极电压和第二栅极电压中的一者或两者。
[0153]
调整可以包括使用优化算法来确定偏置电压、第一栅极电压和第二栅极电压中的一者或多者的优化值以获得目标结果。目标结果可以包括测量值的信噪比，它大于或等于预定阈值。目标结果可以包括在半导体-超导体混合器件中感应的能隙的幅度，该幅度在预定范围内。
[0154]
该装置可以被配置为对多个半导体-超导体混合器件执行测量和/或控制多个半导体-超导体混合器件操作。例如，连接电路装置可以可操作地可连接至多个半导体-超导体混合器件。代码可以被配置为使装置对多个半导体-超导体混合器件执行操作。
[0155]
该操作可以包括将所选择的第一栅极电压、第二栅极电压和偏置电压独立施加到多个半导体-超导体混合器件中的各个半导体-超导体混合器件。
[0156]
该装置可以被配置为同时对至少两个半导体-超导体混合器件执行操作。替代地，操作可以对多个半导体-超导体混合器件中的各个半导体-超导体混合器件连续地执行。
[0157]
多个半导体-超导体混合器件可以被布置在量子位器件中。
[0158]
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-超导体混合器件)的装置的处理单元执行时，该代码使装置执行本文定义的方法。
[0159]
该操作可以包括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。
[0160]
计算机可读介质通常是非瞬态计算机可读介质。计算机可读介质可以是非易失性存储器，诸如硬盘驱动器、固态驱动器或rom芯片。
[0161]
示例1
[0162]
图2b所示的器件是在通过选择性面积生长进行生长的混合inas/ai纳米线上制作的，类似于vaitiekenas等人在phys.rev.lett.121,147701中描述的工艺。根据施加到左端子上的偏置电压的器件的非局部电导使用参照图4描述的方法来测量。左偏置电压从-500变化到500μv。
[0163]
在图5中示出曲线图，该曲线图示出了根据施加的偏置电压的非局部电导，即，通过第二端子的电流(dl
right
)相对于施加在第一端子处的偏置电压(dv
left
)的导数。
[0164]
在零偏置附近的偏置电压范围内，非局部电导的幅度与零一致。在较高的施加的偏置电压处，存在有限的非局部电导的开始(onset)，对应于感应带隙的边缘。为了量化该带隙，峰值拟合被执行，并且峰值中心产生感应带隙的值，在这种情况下δ＝186μv。
[0165]
虽然局部电导(例如通过第一端子的电流相对于施加在第一端子处的电压的导数di_left/dv_left)通常为正，但非局部电导(例如dl_left/dv_right)可以是负的以及正的，这取决于电子传递机制(electron transport mechanism)的详情。非局部电导相对于偏置电压近似反对称，正如在某些场景中通常从理论中观察到和预期的那样。
[0166]
一旦给出本文的公开内容，所公开技术的其他变型或用例对于本领域技术人员来说可能变得显而易见。本公开的范围不受所描述的实施例的限制，而仅受所附权利要求的限制。

技术特征：
1.一种用于测量半导体-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-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-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-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-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-超导体混合器件存在于包括多个半导体-超导体混合器件的量子位器件中。10.一种用于测量半导体-超导体混合器件的半导体组件的非局部电导的装置，所述半导体-超导体混合器件具有半导体组件和超导体组件，所述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，可操作地可连接至所述半导体-超导体混合器件；其中所述数据存储装置存储代码，在由所述处理单元执行时，所述代码使所述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所述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所述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。11.根据权利要求10所述的装置，其中所述操作还包括将所述超导体组件连接至地。12.根据权利要求10或权利要求11所述的装置，其中所述操作还包括基于测量的电流来确定在所述半导体-超导体混合器件中感应的能隙的所述幅度，可选地其中所述确定包括：i)将模型拟合到所述测量的电流；和/或ii)标识最小偏置电压，所述最小偏置电压对应于比测量值的本底噪声大的非局部电导。13.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，其中所述操作还包括调整所述第一栅极电压、所述第二栅极电压和所述偏置电压中的一者或多者，可选地其中所述操作包括选择和施加静态偏置电压，并且调整所述第一栅极电压和第二栅极电压中的一者或两者。14.根据权利要求13所述的装置，其中所述调整包括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)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-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。15.根据权利要求10至14中任一项所述的装置，其中：所述连接电路装置可操作地可连接至多个半导体-超导体混合器件；并且所述代码被配置为使所述装置对所述多个半导体-超导体混合器件执行所述操作；可选地其中：i)所述操作包括将所选的第一栅极电压、第二栅极电压和偏置电压独立施加到所述多个半导体-超导体混合器件中的各个半导体-超导体混合器件；和/或ii)所述操作是对所述多个半导体-超导体混合器件中的至少两个半导体-超导体混合器件同时执行的；和/或iii)所述多个半导体-超导体混合器件被布置在量子位器件中。

技术总结
提供了用于测量半导体-超导体混合器件的半导体组件的非局部电导的方法。半导体-超导体混合器件包括：半导体组件，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。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；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；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；其中在测量期间超导体组件被接地。还提供了可用于执行方法的装置以及存储使装置执行方法的代码的计算机可读介质。的计算机可读介质。的计算机可读介质。


技术研发人员：E
受保护的技术使用者：微软技术许可有限责任公司
技术研发日：2021.01.13
技术公布日：2023/9/20