低温原位制备可逆直写逻辑电路与器件：突破超导量子计算互联瓶颈的新策略

本文针对超导量子计算中信号跨温区传输的“布线瓶颈”问题，开展了基于关联二维电子气(C-2DEG)界面的低温原位制造研究。通过开发“光笔写入-电场擦除”技术，实现了109超高开关比的低温场效应晶体管(FET)和可重构逻辑电路，为大规模集成量子系统提供了低功耗解决方案。

　　

在追求更高性能计算系统的道路上，超导量子计算正展现出巨大潜力，但一个棘手难题始终困扰着研究人员——如何实现低温超导器件与室温环境之间的高效信号传输？这个被称为"布线瓶颈"的问题不仅增加了系统复杂度，更严重制约了量子计算系统的规模化扩展。每当需要在极低温环境下增加新器件时，就必须引入更多的室温接口和连接线，这不仅会引入噪声和热干扰，还使得系统变得臃肿不堪。

传统的解决方案往往需要在不同温度区域间建立复杂的连接网络，但这些方法在面临大规模集成时显得力不从心。正是在这样的背景下，中国科学技术大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究，他们开发出一种在低温环境下直接"书写"和"擦除"电子器件的全新技术，就像用铅笔在纸上写字一样简单，但又能用电场随时擦除重写。

研究人员主要采用了脉冲激光沉积(PLD)技术生长LaAlO₃/LaFeO₃/SrTiO₃异质结构，利用反射高能电子衍射(RHEED)实时监控薄膜生长过程。通过综合运用四探针法和范德堡法进行电输运测量，在物理性质测量系统(PPMS)中实现低温环境下的光电联合测试，并采用掩模技术定义霍尔条图案，结合可调谐光源系统进行波长依赖性研究。

Back-gate induced metal-insulator transition: fabrication of normally-off channels

通过电阻-温度(R-T)曲线测量，研究团队证实了C-2DEG界面在2K低温下呈现金属性行为，载流子浓度达到1.93×10¹³ cm^-2，迁移率超过2300 cm²V^-1s^-1。更重要的是，他们发现施加210V的脉冲背栅电压能够诱导非挥发性金属-绝缘体转变(MIT)，使界面电阻变化超过10⁸倍，实现了从常开到常关状态的转变。

Parallel-plate capacitor series model

研究团队提出了一个串联平行板电容器模型来解释这一物理现象。在低温条件下，气体凝固并在薄膜表面形成冰层，强电场使电子吸附在气体冰层中。该系统可近似为两个串联的平行板电容器：上层由带电气体冰层和C-2DEG界面组成，下层由C-2DEG界面和底电极组成。移除背栅电压后，C-2DEG界面感应出正电荷，从而耗尽界面载流子。

Cryogenic FET with ultra-high on/off ratio

研究人员成功构建了低温FET器件，在2K温度下表现出卓越性能：工作电压低至0.5mV，关态电流约10^-12A，开关比接近10⁹。通过将SrTiO₃衬底厚度从0.5mm减薄至0.2mm，开启电压从70.5V显著降低至17V，而开关比保持不变。理论计算表明，如果进一步将栅极尺寸缩小到纳米级别，单个比特的读取能耗可低于10^-18J，比传统二维FET低六个数量级。

Optical pencil& electric eraser: reversible in situ laser direct-writing

最具创新性的的是团队开发的"光笔与电擦除"技术。他们发现低通量紫外光(300nm)能够诱导局域化的非挥性绝缘体-金属转变，而红外光(900nm)则通过热效应引起整体性转变。通过控制激光扫描路径和形状，可以实现导电通道的原位直写，再通过脉冲背栅电压进行擦除，实现了可重构的串并联逻辑电路。

这项研究的意义远不止于实验室中的技术突破。它为解决超导量子计算中的互联瓶颈问题提供了全新思路：通过低温原位制造技术，减少甚至消除对复杂室温接口的依赖，为实现大规模集成的量子计算系统铺平道路。特别是"光笔写入-电场擦除"的可重构特性，为未来动态可编程量子硬件的开发打开了新可能性。

研究人员展示的两种低温器件原位制备方法各具特色：基于全金属C-2DEG界面的FET消除了金属-半导体接触的肖特基势垒，显著降低了工作电压；而基于低通量紫外激光激发的通道激活方法则实现了局域化激活而不影响相邻区域界面状态。这两种方法的结合，为未来在低温环境下原位激光直写制备器件和逻辑电路提供了技术基础。

虽然当前栅极尺寸下的通道激活功耗仍不可忽视，但通过自支撑技术减少栅极厚度和面积，有望进一步降低能耗。这项研究不仅推动了低温电子学的发展，更为量子计算、自旋电子学和超导器件的大规模集成提供了创新性的解决方案，标志着我们在克服量子计算硬件瓶颈的道路上迈出了重要一步。