I semiconduttori raggiungono il mondo quantistico
Gli effetti quantistici nei superconduttori potrebbero dare una nuova svolta alla tecnologia dei semiconduttori. I ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI e della Cornell University nello stato di New York hanno identificato un materiale composito che potrebbe integrare i dispositivi quantistici nella tecnologia dei semiconduttori, rendendo i componenti elettronici significativamente più potenti.
La nostra attuale infrastruttura elettronica è basata principalmente sui semiconduttori. Questa classe di materiale è emersa intorno alla metà del XX secolo e da allora è stata migliorata. Attualmente, le sfide più importanti nell'elettronica dei semiconduttori includono ulteriori miglioramenti che aumenterebbero la larghezza di banda della trasmissione dei dati, l'efficienza energetica e la sicurezza delle informazioni. Incorporando gli effetti quantici è probabile che ci sia una svolta in questo senso.
Gli effetti quantistici, che possono verificarsi nei materiali superconduttori, sono particolarmente concepibili. I superconduttori sono materiali in cui la resistenza elettrica scompare non appena vengono raffreddati a una certa temperatura. Il fatto che gli effetti quantici possano essere sfruttati anche nei superconduttori è già stato dimostrato nei primi computer quantici.
Al fine di trovare possibili successori per l'elettronica a semiconduttore di oggi, alcuni ricercatori - tra cui un gruppo della Cornell University - stanno studiando le cosiddette eterostrutture, cioè strutture fatte di due diversi tipi di materiali. Più specificamente, stanno cercando sistemi stratificati di materiali superconduttori e semiconduttori. "Si sa da molto tempo che bisogna selezionare materiali con strutture cristalline molto simili in modo che non ci sia tensione nel reticolo cristallino sulla superficie di contatto", spiega John Wright, che ha prodotto le eterostrutture per il nuovo studio alla Cornell University.
Due materiali adatti in questo senso sono il nitruro di niobio superconduttore (NbN) e il nitruro di gallio semiconduttore (GaN). Quest'ultimo gioca già un ruolo importante nell'elettronica dei semiconduttori ed è quindi già ben studiato. Fino ad ora, però, non era chiaro come esattamente si comportano gli elettroni sulla superficie di contatto di questi due materiali - e se è possibile che gli elettroni del semiconduttore interferiscano con la superconduttività e quindi annullino gli effetti quantici.
"Quando mi sono imbattuto nella ricerca del gruppo alla Cornell, ho capito: qui al PSI, possiamo trovare la risposta a questa domanda fondamentale con i nostri metodi spettroscopici alla beamline ADRESS", spiega Vladimir Strocov, un ricercatore della Swiss Synchrotron Light Source SLS al PSI.
È così che i due gruppi sono arrivati a lavorare insieme. Nei loro esperimenti, hanno finalmente scoperto che gli elettroni in entrambi i materiali rimangono "per se stessi". Non ci sono interazioni indesiderate che potrebbero ostacolare gli effetti quantici.
La luce di sincrotrone mostra le strutture elettroniche
I ricercatori del PSI hanno usato un metodo stabilito alla beamline ADRESS dell'SLS: la spettroscopia fotoelettronica risolta in angolo con raggi X morbidi - abbreviato SX-ARPES in inglese. "Questo metodo ci permette di visualizzare il movimento collettivo degli elettroni nel materiale", spiega Tianlun Yu, un ricercatore post-dottorato nel team di Vladimir Strocov, che ha effettuato le misure sull'eterostruttura NbN/GaN. Insieme a Wright, Yu è il primo autore della nuova pubblicazione.
Il metodo SX-ARPES fornisce una specie di mappa le cui coordinate spaziali mostrano l'energia degli elettroni in una direzione e qualcosa come la loro velocità nell'altra; più precisamente, la loro quantità di moto. "In questa rappresentazione, gli stati elettronici appaiono come bande luminose nella mappa", spiega Yu. Il risultato decisivo della ricerca: al confine materiale tra il nitruro di niobio NbN e il nitruro di gallio GaN, le rispettive "bande" sono chiaramente separate l'una dall'altra. I ricercatori sono stati in grado di capire da questo: Gli elettroni rimangono nel loro materiale originale e non interagiscono con gli elettroni del materiale vicino.
"La conclusione più importante per noi è che la superconduttività nel nitruro di niobio rimane indisturbata, anche se questo viene opportunamente posto atomo per atomo su uno strato di nitruro di gallio", dice Vladimir Strocov. "Con questo, siamo stati in grado di fornire un altro pezzo del puzzle che conferma: Questo sistema di strati potrebbe effettivamente dare origine a una nuova forma di elettronica a semiconduttore che incorpora e sfrutta gli effetti quantici nei superconduttori".
Pubblicazione originale: Momentum-resolved struttura elettronica e offset di banda in un epitassiale NbN/GaN superconduttore/semiconduttore eterojunction; 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 dicembre 2021 (online) DOI: 10.1126/sciadv.abi5833
