量子器件中的纳米电阻器

此图是用电子显微镜拍摄，显示了通过量子相位滑移纳米丝链接的两个小型氧化铬电阻器的串联电路。(纳米丝太微小以至于在此尺度无法显示)

　　2014年12月9日华盛顿--伦敦纳米技术中心的研究者们最近为量子电路制作出了一种新型小巧的高阻电阻器。 这种电阻器推动了量子器材在计算和基础物理研究领域方面的应用。 研究者们在美国物理联合会出版的《应用物理杂志》的一篇文章中描述了这种薄膜电阻器。

　　这种电阻器的应用之一就是可使用于量子相位滑移电路(QPS)中。这种电路是由极窄细的超导材料丝制成，这种超导丝可以利用一种基本的，反直觉的量子特性叫做量子隧穿效应，使磁通量在超导丝中来回移动并突破势垒--这一点是在我们常规的经典力学的世界中不可企及的。

　　在2006年，荷兰Kavli纳米科技研究所的科学家们提出了量子相位滑移电路能够用来重新定义“安培“”--即电流的度量单位--通过将QPS和宇宙的基本特性联系到一起 (而不是与在标准实验室里的物理体系联系在一起)。 其他的研究组也提出可将QPS器件作为量子位而应用于量子计算机中—量子位是这类计算机里最基本核心的量子信息单位。

　　伦敦纳米技术中心研究纳米元件电子特性的实验科学家 Paul Warburton说，电阻器需要将QPS器件中脆弱不稳定的量子态与充满噪音的外部世界隔离开。“在作为电流标准的应用中， 电阻器也起到使量子器件能够稳定工作的作用。”他补充说。

　　但制作集成电路中电阻的常规材料通常不能在很小的形态下为QPS电路提供所需的足够的阻值。

　　Warburton和他的合作者转而使用氧化铬的复合物制作出具有高阻值的，小巧紧凑的纳米电阻器。他们使用一种叫做雾化喷射沉积的技术制作氧化铬薄层电阻。通过控制薄层中氧原子的成分浓度，研究人员能够调节氧化铬薄层的电阻：氧原子的成分越多， 电阻阻值就越高。

　　“用氧原子取代铬原子既会影响承载电流的电子数量，也会影响电子在材料中跳跃的途径,” Warburton解释说。

　　研究者将电阻器在4.2开尔文温度下冷却并对具有不同氧原子和铬原子质量比的材料测量其电阻率。导电性差的材料，比如研究者们所测试的氧化铬薄层材料，在低温时一般都有较高的阻值，而QPS电路所要求的电阻器是在低温下能够正常工作的电阻，因为只有当温度足够低的时候，量子效应才会超越经典效应成为主导。 对于氧原子成分含量最高的电阻器， 研究者们也测量到了能够兼容绝大多数QPS电路需求的高电阻值。

　　该研究组也描述了氧化铬薄层在铌硅材料交界面的接触电阻特性。用铌硅纳米丝制作QPS电路是为安培测量新的量子标准的一种方法。研究人员发现在氧化铬和铌硅材料之间加入一层金的中间层可以降低接触阻值—这是一项有利的结果。 研究人员的下一步计划是将他们的新型电阻器合并入QPS器件中。