{"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":"les-semi-conducteurs-atteignent-le-monde-quantique","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.m-q.ch\/fr\/les-semi-conducteurs-atteignent-le-monde-quantique\/","title":{"rendered":"Les semi-conducteurs atteignent le monde quantique"},"content":{"rendered":"
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Tianlun Yu (\u00e0 gauche) et Vladimir Strocov sur la ligne de faisceau ADRESS de la Source de Lumi\u00e8re Synchrotron Suisse SLS, sur laquelle ils ont mesur\u00e9 la structure en couches du nitrure de gallium semi-conducteur et du nitrure de niobium supraconducteur. Photo : Mahir Dzambegovic, PSI<\/figcaption><\/figure>\n

Notre infrastructure \u00e9lectronique actuelle est principalement bas\u00e9e sur des semi-conducteurs. Cette cat\u00e9gorie de mat\u00e9riaux est apparue vers le milieu du 20e si\u00e8cle et n'a cess\u00e9 d'\u00eatre am\u00e9lior\u00e9e depuis. Parmi les principaux d\u00e9fis actuels de l'\u00e9lectronique \u00e0 semi-conducteurs figurent les am\u00e9liorations qui permettraient d'augmenter la bande passante de la transmission de donn\u00e9es, l'efficacit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique et la s\u00e9curit\u00e9 de l'information. L'int\u00e9gration des effets quantiques permettra probablement de r\u00e9aliser une perc\u00e9e dans ce domaine.<\/p>\n

Les effets quantiques qui peuvent se produire dans les mat\u00e9riaux supraconducteurs sont particuli\u00e8rement envisageables. Les supraconducteurs sont des substances dans lesquelles la r\u00e9sistance \u00e9lectrique dispara\u00eet d\u00e8s qu'elles sont refroidies \u00e0 une certaine temp\u00e9rature. Les premiers ordinateurs quantiques ont d\u00e9j\u00e0 montr\u00e9 qu'il \u00e9tait possible d'exploiter les effets quantiques dans les supraconducteurs.<\/p>\n

Afin de trouver des successeurs possibles \u00e0 l'\u00e9lectronique \u00e0 semi-conducteurs actuelle, certains chercheurs - dont un groupe de l'Universit\u00e9 Cornell - \u00e9tudient ce que l'on appelle des h\u00e9t\u00e9rostructures, c'est-\u00e0-dire des structures compos\u00e9es de deux types de mat\u00e9riaux diff\u00e9rents. Plus pr\u00e9cis\u00e9ment, ils s'int\u00e9ressent \u00e0 des syst\u00e8mes de couches compos\u00e9s de mat\u00e9riaux supraconducteurs et semi-conducteurs. \"On sait depuis longtemps qu'il faut pour cela choisir des mat\u00e9riaux ayant des structures cristallines tr\u00e8s similaires, afin d'\u00e9viter que des tensions ne se produisent dans le r\u00e9seau cristallin \u00e0 la surface de contact\", explique John Wright, qui a fabriqu\u00e9 les h\u00e9t\u00e9rostructures pour la nouvelle \u00e9tude \u00e0 l'Universit\u00e9 Cornell.<\/p>\n

Le nitrure de niobium (NbN), un supraconducteur, et le nitrure de gallium (GaN), un semi-conducteur, sont deux mat\u00e9riaux qui conviennent \u00e0 cet \u00e9gard. Ce dernier joue d\u00e9j\u00e0 un r\u00f4le important dans l'\u00e9lectronique des semi-conducteurs et a donc d\u00e9j\u00e0 fait l'objet de nombreuses recherches. Mais jusqu'\u00e0 pr\u00e9sent, on ne savait pas exactement comment se comportaient les \u00e9lectrons \u00e0 la surface de contact de ces deux mat\u00e9riaux - et si, \u00e9ventuellement, les \u00e9lectrons du semi-conducteur perturbaient la supraconductivit\u00e9 et annulaient ainsi les effets quantiques.<\/p>\n

\"Lorsque j'ai d\u00e9couvert les recherches du groupe de Cornell, j'ai su qu'ici, au PSI, nous pouvions trouver la r\u00e9ponse \u00e0 cette question fondamentale gr\u00e2ce \u00e0 nos m\u00e9thodes spectroscopiques sur la ligne de faisceau ADRESS\", explique Vladimir Strocov, chercheur \u00e0 la Source de Lumi\u00e8re Synchrotron Suisse SLS du PSI.<\/p>\n

C'est ainsi que les deux groupes ont commenc\u00e9 \u00e0 collaborer. Dans leurs exp\u00e9riences, ils ont finalement d\u00e9couvert que les \u00e9lectrons restent \"pour eux-m\u00eames\" dans les deux mat\u00e9riaux. Il n'y a pas d'interactions ind\u00e9sirables qui pourraient entraver les effets quantiques.<\/p>\n

La lumi\u00e8re synchrotron r\u00e9v\u00e8le les structures \u00e9lectroniques<\/strong><\/h2>\n

Les chercheurs du PSI ont utilis\u00e9 une m\u00e9thode \u00e9tablie sur la ligne de faisceau ADRESS de la SLS : la spectroscopie de photo\u00e9lectrons \u00e0 r\u00e9solution angulaire par rayons X mous - en anglais, SX-ARPES en abr\u00e9g\u00e9. \"Cette m\u00e9thode nous permet de visualiser le mouvement collectif des \u00e9lectrons dans le mat\u00e9riau\", explique Tianlun Yu, post-doctorant dans l'\u00e9quipe de Vladimir Strocov, qui a effectu\u00e9 les mesures sur l'h\u00e9t\u00e9rostructure NbN\/GaN. Avec Wright, Yu est le premier auteur de la nouvelle publication.<\/p>\n

La m\u00e9thode SX-ARPES fournit une sorte de carte dont les coordonn\u00e9es spatiales indiquent dans une direction l'\u00e9nergie des \u00e9lectrons et dans l'autre direction quelque chose comme leur vitesse ; plus pr\u00e9cis\u00e9ment leur impulsion. \"Dans cette repr\u00e9sentation, les \u00e9tats \u00e9lectroniques apparaissent comme des bandes claires sur la carte\", explique Yu. Le r\u00e9sultat d\u00e9cisif de la recherche : \u00e0 la limite du mat\u00e9riau entre le nitrure de niobium NbN et le nitrure de gallium GaN, les \"bandes\" respectives sont clairement s\u00e9par\u00e9es les unes des autres. C'est ce que les chercheurs ont pu constater : Les \u00e9lectrons restent dans leur mat\u00e9riau d'origine et n'interagissent pas non plus avec les \u00e9lectrons du mat\u00e9riau voisin.<\/p>\n

\"La conclusion la plus importante pour nous est que la supraconductivit\u00e9 dans le nitrure de niobium n'est pas perturb\u00e9e, m\u00eame si celui-ci est plac\u00e9 de mani\u00e8re appropri\u00e9e, atome par atome, sur une couche de nitrure de gallium\", explique Vladimir Strocov. \"Nous avons ainsi pu fournir une nouvelle pi\u00e8ce du puzzle qui confirme : Ce syst\u00e8me de couches pourrait effectivement donner naissance \u00e0 une nouvelle forme d'\u00e9lectronique \u00e0 semi-conducteurs qui int\u00e8gre et exploite les effets quantiques dans les supraconducteurs\".<\/p>\n

\"Technologie
La \"carte\" des \u00e9lectrons : Ce graphique obtenu par la m\u00e9thode SX-ARPES montre sous forme de bandes claires les \u00e9tats que peuvent prendre les \u00e9lectrons dans l'espace \u00e9nergie\/impulsion. La bande que l'on voit dans le semi-conducteur nitrure de gallium (GaN) est clairement s\u00e9par\u00e9e des \u00e9tats supraconducteurs (entour\u00e9s en pointill\u00e9s bleu clair sur le graphique) dans le nitrure de niobium (NbN). Cela signifie que les \u00e9lectrons d\u00e9cisifs dans les deux mat\u00e9riaux ne se perturbent pas mutuellement. Graphique : PSI, Tianlun Yu<\/figcaption><\/figure>\n

 <\/p>\n

\n

Publication originale :<\/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, 22 d\u00e9cembre 2021 (online) DOI :\u00a010.1126\/sciadv.abi5833<\/a><\/p>\n<\/blockquote>\n

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