Квантовые эффекты в сверхпроводниках могут дать полупроводниковой технологии новый поворот. Исследователи из Института Пола Шеррера PSI и Корнельского университета в штате Нью-Йорк определили композитный материал, который может интегрировать квантовые устройства в полупроводниковую технологию, делая электронные компоненты значительно более мощными. Сегодня они публикуют свои выводы в журнале Science Advances.
Наша текущая электронная инфраструктура основана в основном на полупроводниках. Этот класс материалов появился примерно в середине 20 века и с тех пор постоянно совершенствуется. В настоящее время наиболее важными задачами полупроводниковой электроники являются дальнейшие улучшения, которые позволят увеличить пропускную способность передачи данных, энергоэффективность и информационную безопасность. Использование квантовых эффектов , вероятно, станет прорывом.
Особого внимания заслуживают квантовые эффекты, которые могут возникать в сверхпроводящих материалах. Сверхпроводники — это материалы, в которых электрическое сопротивление исчезает при охлаждении ниже определенной температуры. Тот факт, что квантовые эффекты в сверхпроводниках можно использовать, уже был продемонстрирован в первых квантовых компьютерах.
Чтобы найти возможных преемников современной полупроводниковой электроники, некоторые ученые, в том числе группа из Корнельского университета, исследуют так называемые гетеропереходы, то есть структуры, состоящие из двух различных типов материалов. В частности, они рассматривают слоистые системы из сверхпроводящих и полупроводниковых материалов. «В течение некоторого времени было известно, что для этого нужно выбирать материалы с очень похожей кристаллической структурой, чтобы не было напряжения в кристаллической решетке на контактной поверхности», — объясняет Джон Райт, создавший гетеропереходы для нового исследования. в Корнельском университете.
Двумя подходящими материалами в этом отношении являются сверхпроводящий нитрид ниобия (NbN) и полупроводниковый нитрид галлия (GaN). Последний уже играет важную роль в полупроводниковой электронике и поэтому хорошо изучен. Однако до сих пор было неясно, как именно электроны ведут себя на границе контакта этих двух материалов — и возможно ли, чтобы электроны из полупроводника вмешивались в сверхпроводимость и, таким образом, уничтожали квантовые эффекты.
«Когда я натолкнулся на исследования группы в Корнелле, я знал: здесь, в PSI, мы можем найти ответ на этот фундаментальный вопрос с помощью наших спектроскопических методов на канале ADRESS», — объясняет Владимир Строчов, исследователь из Synchrotron Light Source SLS в PSI.
Так пришли к сотрудничеству две группы. В своих экспериментах они в конечном итоге обнаружили, что электроны в обоих материалах «держатся сами по себе». Никакого нежелательного взаимодействия, которое потенциально могло бы испортить квантовые эффекты, не происходит.
Синхротронный свет показывает электронные структуры
Исследователи PSI использовали метод, хорошо зарекомендовавший себя на канале ADRESS SLS: фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением с использованием мягкого рентгеновского излучения, или для краткости SX-ARPES. «С помощью этого метода мы можем визуализировать коллективное движение электронов в материале», — объясняет Тяньлун Ю, научный сотрудник группы Владимира Строчова, которая проводила измерения на гетероструктуре NbN / GaN. Вместе с Райтом Ю является первым автором новой публикации.
Метод SX-ARPES предоставляет своего рода карту, пространственные координаты которой показывают энергию электронов в одном направлении и что-то вроде их скорости в другом; точнее, их импульс. «В этом представлении электронные состояния отображаются на карте в виде ярких полос», — объясняет Ю. Важнейший результат исследования: на границе материала между нитридом ниобия NbN и нитридом галлия GaN соответствующие «полосы» четко отделены друг от друга. Это говорит исследователям, что электроны остаются в своем исходном материале и не взаимодействуют с электронами в соседнем материале.
«Карта» электронов: этот график, полученный с помощью метода SX-ARPES, показывает яркие полосы, представляющие состояния, которые электроны занимают в пространстве энергии / импульса. Полоса в полупроводниковом нитриде галлия (GaN) четко отделена от сверхпроводящих состояний (обведены голубыми штрихами) в нитриде ниобия (NbN). Это означает, что решающие электроны в двух материалах не мешают друг другу. Предоставлено: Институт Пола Шеррера / Тяньлунь Юй.
«Самый важный вывод для нас состоит в том, что сверхпроводимость в нитриде ниобия остается неизменной, даже если она размещается атом за атомом, чтобы соответствовать слою нитрида галлия», — говорит Владимир Строков. «С этим мы смогли предоставить еще один кусок головоломки, который подтверждает: эта система слоев может фактически подойти для новой формы полупроводниковой электроники, которая включает и использует квантовые эффекты, которые происходят в сверхпроводниках».
Дополнительная информация: Тианлун Ю и др., Электронная зонная структура с импульсным разрешением и смещения в эпитаксиальном гетеропереходе NbN / GaN сверхпроводник / полупроводник, Science Advances (2021). DOI: 10.1126 / sciadv.abi5833. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi5833
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Опубликуйте материал о ваших технологиях, проектах, стратапах
hello@technovery.com