A félvezetők elérik a kvantumvilágot

Tianlun Yu (balra) és Vladimir Strocov a Svájci Szinkrotron Fényforrás ADRESS sugárnyalábvonalán, ahol a rétegszerkezetet a félvezető gallium-nitrid és a szupervezető niobium-nitrid alkotja. (Fotó: Paul Scherrer Intézet/Mahir Dzambegovic) / Tianlun Yu (balra) és Vladimir Strocov a Szinkrotron Fényforrás ADRESS sugárnyalábvonalán, ahol a rétegszerkezetet a félvezető gallium-nitrid és a szupervezető niobium-nitrid alkotja. (Fotó: Paul Scherrer Intézet/Mahir Dzambegovic)

Az elektronok „térképe”: Ez a SX-ARPES módszerrel készült ábra a fényes sávokat mutatja, amelyek az elektronok által elfoglalt állapotokat jelzik az energia/momentum térben. A gallium-nitrid (GaN) félvezetőben látható sáv világosan elkülönül a szupervezető állapotoktól (világoskék szaggatott körrel körülvéve) a niobium-nitridben (NbN). Ez azt jelenti, hogy a két anyagban lévő döntő elektronok nem zavarják egymást. (Grafika: Paul Scherrer Intézet/Tianlun Yu)

Kvantu effektusok a szupravezetőkben új fordulatot hozhatnak a félvezetőtechnológiában. A Paul Scherrer Intézet PSI és a Cornell Egyetem kutatói az Egyesült Államok New York államában egy olyan összetett anyagot azonosítottak, amely kvantumalkatrészeket integrálhat a félvezető technológiába, ezáltal jelentősen növelve az elektronikus alkatrészek teljesítményét. Eredményeiket ma a Science Advances szaklapban publikálják.

Jelenlegi elektronikus infrastruktúránk főként félvezetőkre épül. Ez az anyagcsoport az 1900-as évek közepén jelent meg, és azóta folyamatosan fejlesztették. A jelenlegi legfontosabb kihívások közé tartozik a sávszélesség növelése az adatátvitelben, az energiahatékonyság és az információbiztonság javítása. A kvantumhatások figyelembevétele valószínűleg áttörést hozhat ebben.

Elsősorban olyan kvantumhatásokra gondolunk, amelyek szupravezető anyagokban fordulhatnak elő. A szupravezetők olyan anyagok, amelyekben az elektromos ellenállás megszűnik, amint egy meghatározott hőmérséklet alá hűtik őket. Az, hogy a kvantumhatásokat a szupravezetőkben is ki lehet használni, már megmutatkozott az első kvantumszámítógépekben.

Az esetleges utódok megtalálására a mai félvezető elektronika számára néhány kutató – köztük egy csoport a Cornell Egyetemen – ún. heterostruktúrákat vizsgál, vagyis két különböző anyagból álló struktúrákat. Pontosabban olyan rétegszerkezetekről van szó, amelyek szupravezető és félvezető anyagokat tartalmaznak. „Már régóta ismert, hogy ehhez olyan anyagokat kell választani, amelyek kristályszerkezete nagyon hasonló, hogy a kontaktus felületén ne keletkezzenek feszültségek a kristályszerkezetben”, magyarázza John Wright, aki a Cornell Egyetemen a heterostruktúrákat készítette az új tanulmányhoz.

Két ilyen szempontból megfelelő anyag a niobnitrid (NbN) szupravezető, valamint a gallium-nitrid (GaN) félvezető. Az utóbbi már most fontos szerepet tölt be a félvezető elektronikában, ezért jól kutatott. Egészen eddig azonban nem volt világos, hogy pontosan hogyan viselkednek az elektronok ezen az érintkezési felületen – és hogy esetleg a félvezető elektronjai zavarják-e a szupravezetést, ezáltal kiváltva a kvantumhatásokat.

„Amikor rátaláltam a Cornell csoport kutatásaira, tudtam: itt a PSI-nál a spektroszkópiai módszereinkkel az ADRESS-sugárnyaláson megtalálhatjuk erre a kérdésre a választ”, mondja Vladimir Strocov, a PSI Svájci Szinkrotronfényforrásának SLS kutatója.

Így jött létre az együttműködés a két csoport között. Kísérleteik során végül rájöttek, hogy az elektronok mindkét anyagban „önállóan” maradnak. Nem történnek olyan nem kívánt kölcsönhatások, amelyek akadályoznák a kvantumhatásokat.

A szinkrotronfény megmutatja az elektronikus struktúrákat

A PSI kutatói az ADRESS-sugárnyaláson alkalmazott módszert használták: szögteljes fotoelektronspektroszkópia lágy röntgenfénnyel – angolul SX-ARPES. „Ezzel a módszerrel láthatóvá tehetjük az anyagban az elektronok kollektív mozgását”, magyarázza Tianlun Yu, a Vladimir Strocov csapatának posztdoktori kutatója, aki a NbN/GaN heterostruktúrában végzett méréseket. Wrighttal együtt Yu az első szerzője az új publikációnak.

A SX-ARPES módszer egyfajta térképet ad, amelynek térbeli koordinátái az egyik irányban az elektronok energiáját, a másik irányban pedig valami olyasmit mutatnak, mint a sebességük; pontosabban az impulzusuk. „Ebben a megjelenítésben az elektronállapotokat világos sávokként látjuk a térképen”, magyarázza Yu. A kutatás legfontosabb eredménye: a niobnitrid (NbN) és a gallium-nitrid (GaN) anyaghatárán a „sávok” egyértelműen elkülönülnek egymástól. Ebből leolvasható, hogy az elektronok az eredeti anyagukban maradnak, és nem lépnek kölcsönhatásba a szomszédos anyag elektronjaival.

„Számunkra a legfontosabb következtetés az, hogy a niobnitridben a szupravezetés zavartalan marad, még akkor is, ha atomról atomra felhelyezik egy gallium-nitrid rétegre”, mondja Vladimir Strocov. „Ezzel egy újabb puzzle-darab került a helyére, amely megerősíti: ez a rétegszerkezet valóban új formáját hozhatja létre a félvezető elektronikának, amely beépíti és kihasználja a kvantumhatásokat a szupravezetőkben.”