I semiconduttori raggiungono il mondo quantistico

Tianlun Yu (link) e Vladimir Strocov alla linea di fascio ADRESS del Sincrotrone Light Source Svizzera SLS, dove hanno misurato la struttura a strati composta dal semiconduttore nitruro di gallio e dal superconduttore nitruro di niobio. (Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic) / Tianlun Yu (a sinistra) e Vladimir Strocov alla linea di fascio ADRESS del Sincrotrone Light Source, dove hanno misurato la struttura a strati composta dal semiconduttore nitruro di gallio e dal superconduttore nitruro di niobio. (Foto: Paul Scherrer Institute/Mahir Dzambegovic)

La «mappa» degli elettroni: Questo grafico, ottenuto con il metodo SX-ARPES, mostra bande luminose che rappresentano gli stati occupati dagli elettroni nello spazio energia/momento. La banda nel semiconduttore nitruro di gallio (GaN) è chiaramente separata dagli stati superconduttivi (incorniciati con tratteggi azzurri chiari) nel nitruro di niobio (NbN). Questo significa che gli elettroni decisivi nei due materiali non interferiscono tra loro. (Grafica: Paul Scherrer Institute/Tianlun Yu)

Gli effetti quantistici nei superconduttori potrebbero dare una svolta alla tecnologia dei semiconduttori. Ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI e dell'Università di Cornell nello stato di New York hanno identificato un materiale composito che potrebbe integrare elementi quantistici nella tecnologia dei semiconduttori, rendendo così i componenti elettronici notevolmente più potenti. Pubblicano oggi i loro risultati sulla rivista Science Advances.

La nostra infrastruttura elettronica attuale si basa principalmente sui semiconduttori. Questa classe di materiali è apparsa circa a metà del XX secolo ed è stata continuamente migliorata da allora. Le sfide principali nel campo dell'elettronica dei semiconduttori includono ulteriori miglioramenti che aumentino la larghezza di banda delle trasmissioni dati, l'efficienza energetica e la sicurezza delle informazioni. L'integrazione di effetti quantistici potrebbe probabilmente rappresentare una svolta in questo contesto.

Soprattutto sono considerati effetti quantistici che possono verificarsi in materiali superconduttori. I superconduttori sono sostanze in cui la resistenza elettrica scompare una volta che vengono raffreddate a una certa temperatura. La possibilità di sfruttare anche gli effetti quantistici nei superconduttori è stata già dimostrata in alcuni primi computer quantistici.

Per trovare potenziali successori dell'attuale elettronica dei semiconduttori, alcuni ricercatori — tra cui un gruppo dell'Università di Cornell — studiano strutture eterostrutture, cioè strutture composte da due materiali diversi. Più precisamente, si concentrano su sistemi a strati di materiali superconduttori e semiconduttori. «È già noto da tempo che bisogna scegliere materiali con strutture cristalline molto simili per evitare tensioni nel reticolo cristallino al contatto», spiega John Wright, che ha prodotto le eterostrutture per il nuovo studio all'Università di Cornell.

Due materiali adatti in questo senso sono il superconduttore nitrururo di niobio (NbN) e il semiconduttore nitrururo di gallio (GaN). Quest'ultimo svolge già un ruolo importante nell'elettronica dei semiconduttori ed è quindi ben studiato. Finora, tuttavia, non era chiaro come si comportino esattamente gli elettroni al contatto tra questi due materiali — e se gli elettroni provenienti dal semiconduttore possano disturbare la superconduttività, innescando così effetti quantistici.

«Quando ho scoperto la ricerca del gruppo di Cornell, ho capito: qui al PSI possiamo trovare la risposta a questa domanda fondamentale con i nostri metodi spettroscopici sulla linea di fascio ADRESS», spiega Vladimir Strocov, ricercatore presso la sorgente di luce a sincrotrone Svizzera SLS del PSI.

È così nata la collaborazione tra i due gruppi. Nei loro esperimenti hanno infine scoperto che gli elettroni in entrambi i materiali rimangono «per sé stessi». Non si verificano interazioni indesiderate che possano ostacolare gli effetti quantistici.

La luce di sincrotrone mostra le strutture elettroniche

I ricercatori del PSI hanno utilizzato un metodo stabilito sulla linea di fascio ADRESS della SLS: spettroscopia fotoelettronica angolo-resolveda con raggi X morbidi — abbreviato in SX-ARPES in inglese. «Con questo metodo possiamo rendere visibile il movimento collettivo degli elettroni nel materiale», spiega Tianlun Yu, post-dottorando nel team di Vladimir Strocov, che ha condotto le misurazioni sulla heterostruttura NbN/GaN. Insieme a Wright, Yu è il primo autore della nuova pubblicazione.

Il metodo SX-ARPES fornisce una sorta di mappa, le cui coordinate spaziali in una direzione indicano l'energia degli elettroni e in un'altra direzione qualcosa come la loro velocità; più precisamente, il loro impulso. «In questa rappresentazione, gli stati elettronici appaiono come bande luminose sulla mappa», spiega Yu. Il risultato chiave della ricerca: al confine tra i materiali nitrururo di niobio NbN e nitrururo di gallio GaN, le rispettive «bande» sono chiaramente separate. Da ciò i ricercatori hanno potuto dedurre che gli elettroni rimangono nel loro materiale originale e non interagiscono con gli elettroni nel materiale adiacente.

«La conclusione più importante per noi è che la superconduttività nel nitrururo di niobio rimane incontaminata, anche se questo viene depositato strato su strato di nitrururo di gallio», afferma Vladimir Strocov. «Con questo abbiamo aggiunto un altro pezzo al puzzle che conferma: questo sistema a strati potrebbe effettivamente dare origine a una nuova forma di elettronica dei semiconduttori, che integra e sfrutta gli effetti quantistici nei superconduttori.»