Les semi-conducteurs atteignent le monde quantique

Tianlun Yu (liens) et Vladimir Strocov à la ligne de faisceau ADRESS de la Source de lumière synchrotron Suisse SLS, où ils ont mesuré la structure en couches composée du semi-conducteur nitrure de gallium et du supraconducteur nitrure de niobium. (Photo : Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic) / Tianlun Yu (à gauche) et Vladimir Strocov à la ligne de faisceau ADRESS de la Source de lumière synchrotron, où ils ont mesuré la structure en couches faite du semi-conducteur nitrure de gallium et du supraconducteur nitrure de niobium. (Photo : Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)

La « carte » des électrons : Ce graphique, obtenu avec la méthode SX-ARPES, montre en bandes lumineuses les états que les électrons peuvent occuper dans l'espace énergie/momentum. La bande présente dans le semi-conducteur nitrure de gallium (GaN) est nettement séparée des états supraconducteurs (encadrés en pointillés bleu clair) dans le nitrure de niobium (NbN). Cela signifie que les électrons décisifs dans les deux matériaux ne s'interfèrent pas mutuellement. (Graphique : Institut Paul Scherrer/Tianlun Yu)

Les effets quantiques dans les supraleitres pourraient donner une nouvelle tournure à la technologie des semi-conducteurs. Des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer PSI et de l'Université Cornell dans l'État de New York ont identifié un matériau composite qui pourrait intégrer des éléments quantiques dans la technologie des semi-conducteurs, rendant ainsi les composants électroniques nettement plus performants. Ils publient leurs résultats aujourd'hui dans la revue Science Advances.

Notre infrastructure électronique actuelle repose principalement sur les semi-conducteurs. Cette classe de matériaux est apparue vers le milieu du XXe siècle et a été continuellement améliorée depuis. Parmi les principaux défis actuels en électronique des semi-conducteurs figurent d'autres améliorations qui augmenteraient la bande passante de transmission des données, l'efficacité énergétique et la sécurité de l'information. L'intégration des effets quantiques pourrait probablement représenter une avancée décisive dans ce domaine.

Les effets quantiques envisageables concernent surtout ceux qui peuvent apparaître dans des matériaux supralectriques. Les supralecteurs sont des substances dans lesquelles la résistance électrique disparaît lorsqu'ils sont refroidis à une certaine température. Le fait que les effets quantiques puissent également être exploités dans les supralecteurs a déjà été démontré dans les premiers ordinateurs quantiques.

Pour trouver d'éventuels successeurs à l'électronique actuelle basée sur les semi-conducteurs, certains chercheurs – notamment un groupe de l'Université Cornell – étudient ce qu'on appelle des structures hétérogènes, c'est-à-dire des structures composées de deux matériaux différents. Plus précisément, ils s'intéressent à des systèmes en couches constitués de matériaux supralectriques et semi-conducteurs. « Il est connu depuis longtemps qu'il faut choisir des matériaux avec des structures cristallines très similaires pour éviter que des tensions ne se forment à l'interface cristalline », explique John Wright, qui a fabriqué les structures hétérogènes pour cette nouvelle étude à l'Université Cornell.

Deux matériaux appropriés dans ce contexte sont le supralecteur nitrure de niobium (NbN) et le semi-conducteur nitrure de gallium (GaN). Ce dernier joue déjà un rôle important dans l'électronique des semi-conducteurs et est donc bien étudié. Jusqu'à présent, il n'était pas clair comment les électrons se comportaient précisément à l'interface de ces deux matériaux – et si, éventuellement, les électrons du semi-conducteur perturbaient la supraconductivité, ce qui pourrait annuler les effets quantiques.

« Lorsque j'ai découvert la recherche du groupe de Cornell, j'ai su : ici, au PSI, nous pouvons utiliser nos méthodes spectroscopiques sur la ligne de faisceau ADRESS pour trouver la réponse à cette question fondamentale », explique Vladimir Strocov, chercheur à la source de lumière synchrotron Suisse SLS du PSI.

C'est ainsi que la collaboration entre les deux groupes a été établie. Lors de leurs expériences, ils ont finalement découvert que les électrons dans les deux matériaux « restent » séparés. Aucune interaction indésirable ne se produit, ce qui pourrait entraver les effets quantiques.

La lumière synchrotron révèle les structures électroniques

Les chercheurs du PSI ont utilisé une méthode établie sur la ligne de faisceau ADRESS du SLS : la spectroscopie photoélectronique angulaire à rayons X doux – en anglais, SX-ARPES. « Avec cette méthode, nous pouvons rendre visibles la mouvement collectif des électrons dans le matériau », explique Tianlun Yu, post-doctorant dans l'équipe de Vladimir Strocov, qui a effectué les mesures sur la structure hétérogène NbN/GaN. Avec Wright, Yu est le premier auteur de cette nouvelle publication.

La méthode SX-ARPES fournit une sorte de carte, dont les coordonnées spatiales dans une direction indiquent l'énergie des électrons, et dans l'autre direction, quelque chose comme leur vitesse ; plus précisément, leur impulsion. « Dans cette représentation, les états électroniques apparaissent comme des bandes lumineuses sur la carte », explique Yu. Le résultat clé de la recherche : aux frontières matérielles entre le nitrure de niobium NbN et le nitrure de gallium GaN, les « bandes » respectives sont clairement séparées. Cela permet aux chercheurs de déduire que les électrons restent dans leur matériau d'origine et n'interagissent pas avec ceux du matériau voisin.

« La conclusion la plus importante pour nous est que la supraconductivité dans le nitrure de niobium reste intacte, même si cet atome est placé couche par couche sur une couche de nitrure de gallium », déclare Vladimir Strocov. « Cela nous a permis d'ajouter une pièce supplémentaire au puzzle, confirmant que ce système en couches pourrait réellement donner naissance à une nouvelle forme d'électronique des semi-conducteurs, intégrant et exploitant les effets quantiques dans les supralecteurs. »