{"id":15672,"date":"2021-12-23T07:50:02","date_gmt":"2021-12-23T06:50:02","guid":{"rendered":"https:\/\/www.m-q.ch\/?p=15672"},"modified":"2021-12-27T09:30:20","modified_gmt":"2021-12-27T08:30:20","slug":"halbleiter-erreichen-die-quantenwelt","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.m-q.ch\/de\/halbleiter-erreichen-die-quantenwelt\/","title":{"rendered":"Halbleiter erreichen die Quantenwelt"},"content":{"rendered":"<figure id=\"attachment_15673\" aria-describedby=\"caption-attachment-15673\" style=\"width: 2560px\" class=\"wp-caption aligncenter\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"size-full wp-image-15673\" src=\"https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/20211104_strocov-yu_0004-scaled.jpg\" alt=\"\" width=\"2560\" height=\"1707\" srcset=\"https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/20211104_strocov-yu_0004-scaled.jpg 2560w, https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/20211104_strocov-yu_0004-768x512.jpg 768w, https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/20211104_strocov-yu_0004-1536x1024.jpg 1536w, https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/20211104_strocov-yu_0004-2048x1365.jpg 2048w, https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/20211104_strocov-yu_0004-16x12.jpg 16w, https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/20211104_strocov-yu_0004-263x175.jpg 263w, https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/20211104_strocov-yu_0004-525x350.jpg 525w, https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/20211104_strocov-yu_0004-1200x800.jpg 1200w, https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/20211104_strocov-yu_0004-920x613.jpg 920w, https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/20211104_strocov-yu_0004-1400x933.jpg 1400w, https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/20211104_strocov-yu_0004-300x200.jpg 300w\" sizes=\"auto, (max-width: 2560px) 100vw, 2560px\" \/><figcaption id=\"caption-attachment-15673\" class=\"wp-caption-text\">Tianlun Yu (links) und Vladimir Strocov an der ADRESS-Strahllinie der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS, an der sie die Schichtstruktur aus dem Halbleiter Galliumnitrid und dem Supraleiter Niobnitrid vermessen haben. Foto: Mahir Dzambegovic, PSI<\/figcaption><\/figure>\n<p>Unsere derzeitige elektronische Infrastruktur basiert vor allem auf Halbleitern. Diese Materialklasse kam etwa in der Mitte des 20. Jahrhunderts auf und wurde seither immer weiter verbessert. Zu den derzeit wichtigsten Herausforderungen in der Halbleiterelektronik geh\u00f6ren weitere Verbesserungen, die die Bandbreite der Daten\u00fcbertragung, die Energieeffizienz und die Informationssicherheit erh\u00f6hen w\u00fcrden. Quanteneffekte einzubeziehen wird hierbei wahrscheinlich einen Durchbruch bewirken.<\/p>\n<p>Denkbar sind dabei vor allem Quanteneffekte, die in supraleitenden Materialien auftreten k\u00f6nnen. Supraleiter sind Stoffe, in denen der elektrische Widerstand verschwindet, sobald sie auf eine bestimmte Temperatur gek\u00fchlt werden. Dass sich in Supraleitern auch Quanteneffekt ausnutzen lassen, hat sich bereits in ersten Quantencomputern gezeigt.<\/p>\n<p>Um m\u00f6gliche Nachfolger f\u00fcr die heutige Halbleiterelektronik zu finden, untersuchen einige Forschende \u2013 darunter eine Gruppe an der Cornell Universit\u00e4t \u2013 sogenannte Heterostrukturen, also Strukturen aus zwei verschiedenartigen Materialien. Genauer gesagt geht es ihnen um Schichtsysteme aus supraleitenden und halbleitenden Materialien. \u00abEs ist schon l\u00e4nger bekannt, dass man daf\u00fcr Materialien mit sehr \u00e4hnlichen Kristallstrukturen ausw\u00e4hlen muss, damit es an der Kontaktfl\u00e4che nicht zu Spannungen im Kristallgitter kommt\u00bb, erkl\u00e4rt John Wright, der an der Cornell Universit\u00e4t die Heterostrukturen f\u00fcr die neue Studie hergestellt hat.<\/p>\n<p>Zwei in dieser Hinsicht passende Materialien sind der Supraleiter Niobnitrid (NbN) sowie der Halbleiter Galliumnitrid (GaN). Letzterer spielt schon jetzt eine wichtige Rolle in der Halbleiterelektronik und ist daher bereits gut erforscht. Bislang war jedoch unklar, wie genau sich die Elektronen an der Kontaktfl\u00e4che dieser beiden Materialien verhalten \u2013 und ob wom\u00f6glich die Elektronen aus dem Halbleiter die Supraleitung st\u00f6ren und damit die Quanteneffekte ausl\u00f6schen.<\/p>\n<p>\u00abAls ich auf die Forschung der Gruppe in Cornell stiess, wusste ich: Hier am PSI k\u00f6nnen wir mit unseren spektroskopischen Methoden an der ADRESS-Strahllinie die Antwort auf diese grundlegende Frage finden\u00bb, erkl\u00e4rt Vladimir Strocov, Forscher an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI.<\/p>\n<p>So kam es zur Zusammenarbeit zwischen den beiden Gruppen. In ihren Experimenten fanden sie schliesslich heraus, dass die Elektronen in beiden Materialien \u00abf\u00fcr sich\u00bb bleiben. Es finden keine unerw\u00fcnschten Wechselwirkungen statt, die die Quanteneffekte behindern k\u00f6nnten.<\/p>\n<h2><strong>Synchrotronlicht zeigt die elektronischen Strukturen<\/strong><\/h2>\n<p>Die PSI-Forschenden nutzten eine an der ADRESS-Strahllinie der SLS etablierte Methode: Winkelaufgel\u00f6ste Photoelektronenspektroskopie mittels weicher R\u00f6ntgenstrahlung \u2013 auf Englisch abgek\u00fcrzt SX-ARPES. \u00abMit dieser Methode k\u00f6nnen wir die kollektive Bewegung der Elektronen im Material sichtbar machen\u00bb, erkl\u00e4rt Tianlun Yu, Postdoktorand im Team von Vladimir Strocov, der die Messungen an der NbN\/GaN-Heterostruktur durchgef\u00fchrt hat. Gemeinsam mit Wright ist Yu Erstautor der neuen Ver\u00f6ffentlichung.<\/p>\n<p>Die SX-ARPES-Methode liefert eine Art Landkarte, deren r\u00e4umliche Koordinaten in eine Richtung die Energie der Elektronen zeigt und in die andere Richtung so etwas wie ihre Geschwindigkeit; genauer gesagt ihren Impuls. \u00abIn dieser Darstellung zeigen sich die elektronischen Zust\u00e4nde als helle B\u00e4nder in der Landkarte\u00bb, erl\u00e4utert Yu. Das entscheidende Forschungsergebnis: An der Materialgrenze zwischen dem Niobnitrid NbN und dem Galliumnitrid GaN sind die jeweiligen \u00abB\u00e4nder\u00bb klar voneinander getrennt. Daran konnten die Forschenden ablesen: Die Elektronen bleiben in ihrem urspr\u00fcnglichen Material und interagieren auch nicht mit den Elektronen im Nachbarstoff.<\/p>\n<p>\u00abDie f\u00fcr uns wichtigste Schlussfolgerung ist, dass die Supraleitung im Niobnitrid ungest\u00f6rt bleibt, selbst wenn dieses Atom f\u00fcr Atom passend auf eine Schicht Galliumnitrid aufgesetzt wird\u00bb, sagt Vladimir Strocov. \u00abDamit konnten wir ein weiteres Puzzlest\u00fcck liefern, das best\u00e4tigt: Dieses Schichtsystem k\u00f6nnte tats\u00e4chlich eine neue Form der Halbleiterelektronik hervorbringen, welche die Quanteneffekte in Supraleitern einbindet und nutzt.\u00bb<\/p>\n<figure id=\"attachment_15674\" aria-describedby=\"caption-attachment-15674\" style=\"width: 1190px\" class=\"wp-caption alignnone\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"size-full wp-image-15674\" src=\"https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/strokov-yu-figure.png\" alt=\"Halbleitertechnologie\" width=\"1190\" height=\"782\" srcset=\"https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/strokov-yu-figure.png 1190w, https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/strokov-yu-figure-768x505.png 768w, https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/strokov-yu-figure-16x12.png 16w, https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/strokov-yu-figure-266x175.png 266w, https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/strokov-yu-figure-533x350.png 533w, https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/strokov-yu-figure-920x605.png 920w, https:\/\/www.m-q.ch\/wp-content\/uploads\/2021\/12\/strokov-yu-figure-300x197.png 300w\" sizes=\"auto, (max-width: 1190px) 100vw, 1190px\" \/><figcaption id=\"caption-attachment-15674\" class=\"wp-caption-text\">Die \u00abLandkarte\u00bb der Elektronen: Diese mit der SX-ARPES-Methode erhaltene Grafik zeigt als helle B\u00e4nder die Zust\u00e4nde, die Elektronen im Energie\/Impuls-Raum einnehmen k\u00f6nnen. Das Band, das im Halbleiter Galliumnitrid (GaN) zu sehen ist, ist von den supraleitenden Zust\u00e4nden (in der Grafik hellblau-gestrichelt eingekreist) im Niobnitrid (NbN) klar getrennt. Das bedeutet, dass die entscheidenden Elektronen in den beiden Materialien sich nicht gegenseitig st\u00f6ren. Grafik: PSI, Tianlun Yu<\/figcaption><\/figure>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<blockquote>\n<p><em>Originalver\u00f6ffentlichung:<\/em> Momentum-resolved electronic structure and band offsets in an epitaxial NbN\/GaN superconductor\/semiconductor heterojunction; T. Yu, J. Wright, G. Khalsa, B. Pamuk, C. S. Chang, Y. Matveyev, X. Wang, T. Schmitt, D. Feng, D. A. Muller, H. G. Xing, D. Jena, V. N. Strocov; Science Advances,\u00a022. Dezember 2021 (online) DOI:\u00a0<a href=\"https:\/\/dx.doi.org\/10.1126\/sciadv.abi5833\">10.1126\/sciadv.abi5833<\/a><\/p>\n<\/blockquote>\n<p>&nbsp;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Unsere derzeitige elektronische Infrastruktur basiert vor allem auf Halbleitern. Diese Materialklasse kam etwa in der Mitte des 20. Jahrhunderts auf und wurde seither immer weiter verbessert. Zu den derzeit wichtigsten Herausforderungen in der Halbleiterelektronik geh\u00f6ren weitere Verbesserungen, die die Bandbreite der Daten\u00fcbertragung, die Energieeffizienz und die Informationssicherheit erh\u00f6hen w\u00fcrden. 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