量子器件中的納米電阻器

此圖是用電子顯微鏡拍攝，顯示了通過量子相位滑移納米絲鏈接的兩個小型氧化鉻電阻器的串聯電路。(納米絲太微小以至于在此尺度無法顯示)

　　2014年12月9日華盛頓--倫敦納米技術中心的研究者們最近為量子電路制作出了一種新型小巧的高阻電阻器。 這種電阻器推動了量子器材在計算和基礎物理研究領域方面的應用。 研究者們在美國物理聯合會出版的《應用物理雜志》的一篇文章中描述了這種薄膜電阻器。

　　這種電阻器的應用之一就是可使用于量子相位滑移電路(QPS)中。這種電路是由極窄細的超導材料絲制成，這種超導絲可以利用一種基本的，反直覺的量子特性叫做量子隧穿效應，使磁通量在超導絲中來回移動并突破勢壘--這一點是在我們常規的經典力學的世界中不可企及的。

　　在2006年，荷蘭Kavli納米科技研究所的科學家們提出了量子相位滑移電路能夠用來重新定義“安培“”--即電流的度量單位--通過將QPS和宇宙的基本特性聯系到一起 (而不是與在標準實驗室里的物理體系聯系在一起)。 其他的研究組也提出可將QPS器件作為量子位而應用于量子計算機中—量子位是這類計算機里最基本核心的量子信息單位。

　　倫敦納米技術中心研究納米元件電子特性的實驗科學家 Paul Warburton說，電阻器需要將QPS器件中脆弱不穩定的量子態與充滿噪音的外部世界隔離開。“在作為電流標準的應用中， 電阻器也起到使量子器件能夠穩定工作的作用。”他補充說。

　　但制作集成電路中電阻的常規材料通常不能在很小的形態下為QPS電路提供所需的足夠的阻值。

　　Warburton和他的合作者轉而使用氧化鉻的復合物制作出具有高阻值的，小巧緊湊的納米電阻器。他們使用一種叫做霧化噴射沉積的技術制作氧化鉻薄層電阻。通過控制薄層中氧原子的成分濃度，研究人員能夠調節氧化鉻薄層的電阻：氧原子的成分越多， 電阻阻值就越高。

　　“用氧原子取代鉻原子既會影響承載電流的電子數量，也會影響電子在材料中跳躍的途徑,” Warburton解釋說。

　　研究者將電阻器在4.2開爾文溫度下冷卻并對具有不同氧原子和鉻原子質量比的材料測量其電阻率。導電性差的材料，比如研究者們所測試的氧化鉻薄層材料，在低溫時一般都有較高的阻值，而QPS電路所要求的電阻器是在低溫下能夠正常工作的電阻，因為只有當溫度足夠低的時候，量子效應才會超越經典效應成為主導。 對于氧原子成分含量最高的電阻器， 研究者們也測量到了能夠兼容絕大多數QPS電路需求的高電阻值。

　　該研究組也描述了氧化鉻薄層在鈮硅材料交界面的接觸電阻特性。用鈮硅納米絲制作QPS電路是為安培測量新的量子標準的一種方法。研究人員發現在氧化鉻和鈮硅材料之間加入一層金的中間層可以降低接觸阻值—這是一項有利的結果。 研究人員的下一步計劃是將他們的新型電阻器合并入QPS器件中。