Polovodiče dosahují kvantového světa

Tianlun Yu (links) a Vladimir Strocov na svazové dráze ADRESS v synchrotronovém zdroji světla ve Švýcarsku SLS, kde změřili vrstvenou strukturu složenou ze polovodiče gallium nitrid a supravodiče nitrid niobu. (Fotografie: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic) / Tianlun Yu (vlevo) a Vladimir Strocov na svazové dráze ADRESS ve zdroji synchrotronového světla, kde změřili vrstvenou strukturu složenou ze polovodiče gallium nitrid a supravodiče nitrid niobu. (Fotografie: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)

„Mapa“ elektronů: Tento graf, získaný metodou SX-ARPES, ukazuje jasné pásy představující stavy, které mohou elektrony zaujímat v prostoru energie/momentu. Pás, který je vidět u polovodiče nitrid gallia (GaN), je jasně oddělen od supravodivých stavů (vyznačených v světle modrých čárách) u nitridu niobia (NbN). To znamená, že rozhodující elektrony v obou materiálech se navzájem neovlivňují. (Grafika: Paul Scherrer Institut/Tianlun Yu)

Kvantenové efekty v supravodičích by mohly přinést novou změnu v polovodičové technologii. Výzkumníci z Paul Scherrer Institut PSI a Cornellovy univerzity ve státě New York identifikovali kompozitní materiál, který by mohl integrovat kvantové prvky do polovodičové technologie a tím výrazně zvýšit výkon elektronických součástek. Svá zjištění zveřejnili dnes v odborném časopise Science Advances.

Naše současná elektronická infrastruktura je především založena na polovodičích. Tato třída materiálů se objevila přibližně uprostřed 20. století a od té doby byla stále zdokonalována. Mezi hlavní současné výzvy v polovodičové elektronice patří další zlepšení, která by zvýšila přenosovou šířku, energetickou účinnost a bezpečnost informací. Začlenění kvantových efektů pravděpodobně přinese průlom.

Možné jsou především kvantové efekty, které se mohou vyskytovat v supravodivých materiálech. Supravodiče jsou látky, ve kterých mizí elektrický odpor, jakmile jsou ochlazeny na určitou teplotu. To, že lze v supravodičích využívat i kvantové efekty, již bylo demonstrováno v prvních kvantových počítačích.

Pro nalezení možných nástupců dnešní polovodičové elektroniky zkoumá několik výzkumníků – včetně skupiny na Cornellově univerzitě – takzvané heterostruktury, tedy struktury složené ze dvou různých materiálů. Konkrétně se jedná o vrstvené systémy z supravodivých a polovodičových materiálů. „Je již dlouho známo, že je třeba vybírat materiály s velmi podobnou krystalovou strukturou, aby nedocházelo ke napětím na kontaktní ploše v krystalové mřížce,“ vysvětluje John Wright, který na Cornellově univerzitě vyráběl heterostruktury pro nový výzkum.

Dva vhodné materiály v tomto ohledu jsou supravodič niob nitrid (NbN) a polovodič gallium nitrid (GaN). Ten již nyní hraje důležitou roli v polovodičové elektronice a je proto dobře prozkoumán. Dosud však nebylo jasné, jak přesně se chovají elektrony na kontaktní ploše těchto dvou materiálů – a zda případně elektrony z polovodiče narušují supravodivost a tím spouštějí kvantové efekty.

„Když jsem narazil na výzkum skupiny na Cornellově univerzitě, věděl jsem: Tady v PSI můžeme pomocí našich spektroskopických metod na ADRESSové řadě získat odpověď na tuto základní otázku,“ říká Vladimir Strocov, výzkumník v Swiss Light Source (SLS) PSI.

Tak vznikla spolupráce mezi oběma skupinami. Ve svých experimentech nakonec zjistili, že elektrony v obou materiálech zůstávají „pro sebe“. Nedochází k nežádoucím interakcím, které by mohly bránit kvantovým efektům.

Synchrotronové světlo ukazuje elektronické struktury

Výzkumníci PSI využili metodu zavedenou na ADRESSové řadě SLS: úhlově rozlišenou fotoelektronovou spektroskopii pomocí měkkého rentgenového záření – zkráceně SX-ARPES. „Touto metodou můžeme zpřístupnit kolektivní pohyb elektronů v materiálu,“ vysvětluje Tianlun Yu, postdoktorand v týmu Vladimira Strocova, který prováděl měření na heterostruktuře NbN/GaN. Spolu s Wrightem je Yu prvním autorem nové publikace.

Metoda SX-ARPES poskytuje jakýsi „mapu“, jejíž prostorové souřadnice v jednom směru ukazují energii elektronů a v druhém jejich rychlost, přesněji jejich impuls. „V této reprezentaci se elektronické stavy projevují jako jasné pásy na mapě,“ vysvětluje Yu. Klíčovým výsledkem výzkumu je, že na hranici mezi materiály niob nitridem NbN a gallium nitridem GaN jsou tyto „pásy“ jasně oddělené. Z toho vědci usoudili, že elektrony zůstávají ve svém původním materiálu a neinteragují s elektrony v sousedním materiálu.

„Nejvýznamnější závěr pro nás je, že supravodivost v niob nitridu zůstává nedotčena, i když je atom od atomu pokládán na vrstvu gallium nitridu,“ říká Vladimir Strocov. „Tím jsme mohli přidat další dílek do skládačky, která potvrzuje: tento vrstvený systém by mohl skutečně přinést novou formu polovodičové elektroniky, jež začleňuje a využívá kvantové efekty v supravodičích.“