وصلات جوزيفسون هي الأساس للأجهزة فائقة التوصيل الحديثة: من أجهزة SQUID التي تُعدّ أكثر أجهزة استشعار حساسية للتدفق المغناطيسي، إلى الكيوبتات في الحواسيب الكمومية. نمو هذه التقنيات يتطلب إنتاجًا ضخمًا لوصلات ذات خصائص متطابقة على كامل الرقاقة. الوصلات النافذة التقليدية تعاني من عدم دقة محاذاة الطبقات والسعات الطفيلية، مما يحد من الحساسية. الوصلات المتقاطعة تحل هذه المشاكل، لكن تصنيعها عادةً يتضمن إزالة قناع شاقة تترك عيوبًا. هذا العمل يندرج ضمن الأبحاث لتحسين وصلات جوزيفسون والكيوبتات، حيث المهمة الأساسية هي قابلية التكرار وقابلية التوسع.
على رقاقة سيليكون ثلاثية البوصة، تم ترسيب البنية ثلاثية الطبقات Nb/Al-AlOx/Nb بواسطة الرش المغنطروني: قطب سفلي بسمك 125 نانومتر، حاجز ألومنيوم بسمك 14 نانومتر مؤكسد عند ضغط 33.3 مليبار لمدة 65 دقيقة، وقطب علوي بسمك 200 نانومتر. تم حفر البنية ثلاثية الطبقات على شكل شريط، ثم تم ترسيب 500 نانومتر من SiO2 دون إزالة المقاوم الضوئي. تمت إزالة فائض ثاني أكسيد السيليكون بواسطة التلميع الكيميائي-الميكانيكي (CMP) على جهاز GNP POLI-400L باستخدام معلق من جسيمات SiO2 بقطر 80 نانومتر. بلغ معدل الإزالة حوالي 128 نانومتر/دقيقة، واستغرق التلميع 70 ثانية. تم ترسيب طبقة تلامس من Nb عموديًا على الشريط وحفرها مع القطب العلوي، مما حدد مساحة الوصلة من تقاطع الشريطين. تم إجراء قياسات لمنحنيات الجهد-التيار وأنماط فرانهوفر عند درجة حرارة 4.2 كلفن باستخدام طريقة القياس رباعية الأسلاك.
تجاوزت إنتاجية الوصلات 90٪ على الرقاقة، وبالنسبة للوصلات ذات القطب العلوي 200 نانومتر، كانت جميع العينات المختبرة عالية الجودة. التيار الحرج يعتمد خطيًا على مساحة الوصلة، مما أعطى كثافة تيار حرج تبلغ 220±5 أمبير/سم² للرقاقة A و549±4 أمبير/سم² للرقاقة B. المقاومة الطبيعية تتناسب عكسيًا مع المساحة بمقاومة نوعية تبلغ 743±26 أوم·ميكرومتر² (الرقاقة A) و269±2 أوم·ميكرومتر² (الرقاقة B). بلغ جهد الخصائص Vc = IcRN حوالي 1.39±0.02 ملي فولت و1.47±0.02 ملي فولت على التوالي، مما يدل على تجانس الحاجز. وصلت نسبة مقاومة ما دون الفجوة إلى المقاومة الطبيعية Rsg/RN إلى 38.3±1.5 و31.2±0.8، وجهد الفجوة إلى 2.84±0.03 ملي فولت و2.79±0.01 ملي فولت، وهو قريب من القيمة النظرية للنيوبيوم. أظهرت أنماط فرانهوفر ملفًا أملسًا للتيار الحرج مع عمق اختراق فعال حوالي 84 نانومتر. بالنسبة للوصلات الأصغر من 1×1 ميكرومتر²، انخفضت الإنتاجية بسبب بقايا المعلق، لكن بالنسبة للأحجام من 1 إلى 4.2 ميكرومتر، تكون العملية مستقرة.
يُظهر العمل أن التلميع الكيميائي-الميكانيكي يمكن أن يحل محل إزالة القناع في إنتاج وصلات جوزيفسون المتقاطعة دون فقدان الجودة. على عكس الأبحاث المجاورة حيث طُبق التلميع على بنى أخرى أو مع خطوات تنظيف إضافية، هنا تم الاستغناء عن الدعامات والغسيل بعد التلميع، مع الحفاظ على المقاوم الضوئي أثناء التلميع. هذا يبسط العملية ويجعلها مناسبة للتكامل متعدد الطبقات للدوائر فائقة التوصيل. الطريقة قابلة للتوسع إلى رقاقات أكبر ومواد حاجز أخرى.
الخطوة المنطقية التالية هي تكييف العملية للوصلات دون الميكرونية، حيث تعيق بقايا الجسيمات الكاشطة حاليًا. إضافة خطوة تنظيف بعد التلميع، مثل جهاز فرشاة، قد تزيد الإنتاجية للوصلات الأصغر من 1 ميكرومتر². كما أن استبدال الترسيب المغنطروني لـ SiO2 بترسيب الطبقة الذرية أو الترسيب الكيميائي من الطور البخاري المعزز بالبلازما يعد واعدًا لتجنب تأثيرات الظل والأخاديد حول البنى. سيسمح ذلك بإنشاء مصفوفات أكثر كثافة من الوصلات لمعالجات الكم.
ستفيد هذه التقنية مصنعي أجهزة SQUID والكيوبتات فائقة التوصيل والدوائر المنطقية أحادية الكم السريعة، حيث تكون هناك حاجة إلى مصفوفات كبيرة من الوصلات المتجانسة.
تحسين تنظيف الرقاقات بعد التلميع للوصلات دون الميكرونية والتحقق من قابلية التكرار على رقاقات أكبر مع مقاومات ضوئية أخرى.
بالنسبة للإلكترونيات فائقة التوصيل، المشكلة الرئيسية غير المحلولة هي الإنتاج القابل للتوسع للكيوبتات ذات الترابط العالي. هذا العمل يحل جزءًا من هذه المهمة: فهو يوفر طريقة قابلة للتكرار لإنشاء وصلات جوزيفسون بمعلمات متجانسة، مما يؤثر مباشرة على تشتت ترددات الكيوبتات وجودة الدوائر الكمومية.
الضغط أثناء التلميع يبلغ فقط 138 مليبار، وهو تقريبًا مثل نَفَس الريح على راحة اليد، لكنه كافٍ لإزالة 128 نانومترًا من ثاني أكسيد السيليكون في الدقيقة.
في مسلسل «الفضاء»، تستخدم السفن مجالات مغناطيسية فائقة التوصيل للحماية من الإشعاع. وصلات جوزيفسون هي عنصر أساسي في أجهزة استشعار هذه المجالات، وإنتاجها الضخم يقرب الخيال العلمي من الواقع.