Los semiconductores alcanzan el mundo cuántico

Tianlun Yu (enlaces) y Vladimir Strocov en la línea de haz ADRESS del Espectro de Luz de Sincrón de Suiza SLS, donde midieron la estructura en capas del semiconductor nitruro de galio y del superconductor nitruro de niobio. (Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic) / Tianlun Yu (izquierda) y Vladimir Strocov en la línea de haz ADRESS del Espectro de Luz de Sincrón de Suiza, donde midieron la estructura en capas hecha del semiconductor nitruro de galio y el superconductor nitruro de niobio. (Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)

El «mapa» de los electrones: Este gráfico, obtenido con el método SX-ARPES, muestra bandas brillantes que representan los estados que los electrones ocupan en el espacio energía/momento. La banda en el semiconductor nitruro de galio (GaN) está claramente separada de los estados superconductores (rodeados con guiones en azul claro) en el nitruro de niobio (NbN). Esto significa que los electrones decisivos en los dos materiales no interfieren entre sí. (Gráfico: Instituto Paul Scherrer/Tianlun Yu)

Los efectos cuánticos en superconductores podrían darle un giro a la tecnología de semiconductores. Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI y de la Universidad de Cornell en el estado de Nueva York han identificado un material compuesto que podría integrar componentes cuánticos en la tecnología de semiconductores, haciendo que los dispositivos electrónicos sean significativamente más potentes. Publican sus resultados hoy en la revista Science Advances.

Nuestra infraestructura electrónica actual se basa principalmente en semiconductores. Esta clase de materiales apareció aproximadamente a mediados del siglo XX y desde entonces ha sido mejorada continuamente. Uno de los mayores desafíos actuales en la electrónica de semiconductores es realizar mejoras que aumenten el ancho de banda de transmisión de datos, la eficiencia energética y la seguridad de la información. Incluir efectos cuánticos probablemente marcará un avance decisivo en este ámbito.

Especialmente, se consideran efectos cuánticos que pueden ocurrir en materiales superconductores. Los superconductores son sustancias en las que la resistencia eléctrica desaparece cuando se enfrían a una temperatura específica. La posibilidad de aprovechar efectos cuánticos en superconductores ya se ha demostrado en los primeros ordenadores cuánticos.

Para encontrar posibles sucesores de la electrónica de semiconductores actual, algunos investigadores, incluido un grupo de la Universidad de Cornell, estudian estructuras heterogéneas, es decir, estructuras compuestas por dos materiales diferentes. Más específicamente, se centran en sistemas de capas de materiales superconductores y semiconductores. «Desde hace tiempo se sabe que para ello hay que elegir materiales con estructuras cristalinas muy similares, para evitar tensiones en la red cristalina en la interfaz», explica John Wright, quien fabricó las estructuras heterogéneas para el nuevo estudio en Cornell.

Dos materiales adecuados en este sentido son el superconductor nitruro de niobio (NbN) y el semiconductor nitruro de galio (GaN). Este último ya desempeña un papel importante en la electrónica de semiconductores y, por lo tanto, está bien investigado. Sin embargo, hasta ahora no estaba claro cómo se comportan exactamente los electrones en la interfaz de estos dos materiales, ni si los electrones del semiconductor podrían perturbar la superconductividad y, por tanto, cancelar los efectos cuánticos.

«Cuando descubrí la investigación del grupo en Cornell, supe que aquí en el PSI podíamos, con nuestros métodos espectroscópicos en la línea de haces ADRESS, encontrar la respuesta a esta pregunta fundamental», explica Vladimir Strocov, investigador en la Fuente de Luz de Sincrontrón de Suiza (SLS) del PSI.

Así surgió la colaboración entre ambos grupos. En sus experimentos, finalmente descubrieron que los electrones en ambos materiales «permanecen» en su propio material. No ocurren interacciones no deseadas que puedan impedir los efectos cuánticos.

La luz de sincrotrón revela las estructuras electrónicas

Los investigadores del PSI utilizaron un método establecido en la línea de haces ADRESS de la SLS: espectroscopía de fotoelectrones angular-resuelta mediante radiación de rayos X suaves, abreviado en inglés como SX-ARPES. «Con este método podemos hacer visible el movimiento colectivo de los electrones en el material», explica Tianlun Yu, postdoctorando en el equipo de Vladimir Strocov, quien realizó las mediciones en la heteroestructura NbN/GaN. Junto con Wright, Yu es el primer autor de la publicación.

El método SX-ARPES proporciona una especie de mapa, cuyas coordenadas espaciales en una dirección muestran la energía de los electrones y en la otra, algo así como su velocidad; más precisamente, su impulso. «En esta representación, los estados electrónicos aparecen como bandas brillantes en el mapa», explica Yu. El resultado clave de la investigación: en la frontera material entre el nitruro de niobio (NbN) y el nitruro de galio (GaN), las respectivas «bandas» están claramente separadas. A partir de esto, los investigadores dedujeron que los electrones permanecen en su material original y no interactúan con los electrones en el material vecino.

«La conclusión más importante para nosotros es que la superconductividad en el nitruro de niobio permanece intacta, incluso cuando este se coloca capa por capa sobre el nitruro de galio», dice Vladimir Strocov. «Con esto, hemos añadido una pieza más al rompecabezas que confirma: este sistema en capas podría realmente dar lugar a una nueva forma de electrónica de semiconductores, que incorpora y aprovecha los efectos cuánticos en superconductores.»