量子器件的模板光刻与选区生长原位制备方法

三维拓扑绝缘体与s波超导界面上狄拉克物理和诱导超导的相互作用，为基于马约拉纳模的拓扑保护量子计算提供了一个新的平台。为了在未来拓扑量子计算架构中使用这种超导体-拓扑绝缘体杂化器件，真空条件下的原位制备成为保证器件性能的首要条件。基于此，来自德国于利希研究中心的Peter Schüffelgen 及合作者报道了(Bi,Sb)₂Te₃ 拓扑绝缘体薄膜的选择性区域生长和超导Nb的模板蚀刻方法，通过分子束外延原位制备超导体-拓扑绝缘体杂化器件。为保护杂化器件的脆弱表面，该研究组沉积了一层介质层以保证器件能够在气体环境下工作。利用上述技术，他们制备了一种约瑟夫森结，输运实验表明了马约拉纳束缚态的存在。此外，该小组在薄膜生长之前将两个对齐的硬掩模整体集成到基底上，实现了从单一结向未来拓扑量子计算架构的复杂电路过渡。该方法为量子器件的制备提供了新的可能性，可以在纳米尺度上将精细的量子材料原位结合，为高质量、高可重复性的量子器件提供了一种便捷灵活的制备方法。相关结果发表在Nature Nanotechonology, Vol.14 825-831 (2019)上。

图拓扑绝缘体-超导杂化量子器件的制备流程示意图、结构放大图以及器件性能图