Półprzewodniki osiągają świat kwantowy

Tianlun Yu (z lewej) i Vladimir Strocov na linii wiązki ADRESS w Synchrotron Light Source, gdzie zmierzyli strukturę warstwową zbudowaną z półprzewodnika azotku galu i nadprzewodnika azotku niobu. (Zdjęcie: Paul Scherrer Institute/Mahir Dzambegovic)

„Mapa” elektronów: Ten wykres, uzyskany metodą SX-ARPES, pokazuje jasne pasma reprezentujące stany, które elektrony mogą zajmować w przestrzeni energii pędu. Pasmo w półprzewodniku azotek galu (GaN) jest wyraźnie oddzielone od stanów nadprzewodzących (otoczonych przerywaną linią w jasnoniebieskim kolorze) w azotku niobu (NbN). Oznacza to, że decydujące elektrony w obu materiałach nie zakłócają się nawzajem. (Grafika: Instytut Paula Scherra/Tianlun Yu)

Efekty kwantowe w nadprzewodnikach mogą nadać nowy kierunek technologii półprzewodników. Naukowcy z Instytutu Paul Scherrer PSI oraz Uniwersytetu Cornell w stanie Nowy Jork zidentyfikowali kompozyt, który może zintegrować elementy kwantowe z technologią półprzewodników, znacznie zwiększając wydajność elektronicznych urządzeń. Opublikowali swoje wyniki dzisiaj w czasopiśmie Science Advances.

Nasza obecna infrastruktura elektroniczna opiera się głównie na półprzewodnikach. Ta grupa materiałów pojawiła się około połowy XX wieku i od tego czasu była coraz bardziej udoskonalana. Do najważniejszych wyzwań w elektronice półprzewodnikowej należą dalsze poprawy, które zwiększyłyby przepustowość transmisji danych, efektywność energetyczną i bezpieczeństwo informacji. Włączenie efektów kwantowych prawdopodobnie przyniesie tutaj przełom.

Przede wszystkim rozważane są efekty kwantowe, które mogą występować w materiałach nadprzewodzących. Nadprzewodniki to substancje, w których opór elektryczny zanika po schłodzeniu do określonej temperatury. To, że w nadprzewodnikach można wykorzystywać efekty kwantowe, już wykazały pierwsze komputery kwantowe.

Aby znaleźć potencjalnych następców dzisiejszej elektroniki półprzewodnikowej, niektórzy naukowcy – w tym grupa z Uniwersytetu Cornell – badają tak zwane heterostruktury, czyli struktury zbudowane z dwóch różnych materiałów. Mówiąc dokładniej, chodzi im o systemy warstwowe z nadprzewodzącymi i półprzewodzącymi materiałami. „Od dawna wiadomo, że do tego trzeba wybierać materiały o bardzo podobnej strukturze krystalicznej, aby na granicy kontaktu nie pojawiały się napięcia w sieci krystalicznej”, wyjaśnia John Wright, który na Uniwersytecie Cornell wyprodukował heterostruktury do nowego badania.

Dwa odpowiednie materiały w tym zakresie to nadprzewodnik nitroboran niobowy (NbN) oraz półprzewodnik nitro-galowe (GaN). Ten ostatni odgrywa już teraz ważną rolę w elektronice półprzewodnikowej i jest dobrze zbadany. Do tej pory nie było jednak jasne, jak dokładnie zachowują się elektrony na granicy kontaktu tych dwóch materiałów – oraz czy ewentualnie elektrony z półprzewodnika zakłócają nadprzewodzenie, wywołując efekty kwantowe.

„Kiedy natknąłem się na badania grupy z Cornell, wiedziałem: tutaj w PSI możemy za pomocą naszych metod spektroskopowych na linii promieniowania ADRESS znaleźć odpowiedź na to fundamentalne pytanie”, wyjaśnia Vladimir Strocov, naukowiec z Synchrotronu Światła SLS w PSI.

W ten sposób doszło do współpracy między obiema grupami. W swoich eksperymentach odkryli, że elektrony w obu materiałach „pozostają” w swoim własnym środowisku. Nie dochodzi do niepożądanych interakcji, które mogłyby zakłócać efekty kwantowe.

Światło synchrotronowe ukazuje struktury elektroniczne

Naukowcy z PSI wykorzystali metodę opartą na linii promieniowania ADRESS w SLS: spektroskopię fotoelektronową z rozdzielczością kątową za pomocą miękkiego promieniowania rentgenowskiego – w języku angielskim skrót SX-ARPES. „Dzięki tej metodzie możemy zobaczyć zbiorowy ruch elektronów w materiale”, wyjaśnia Tianlun Yu, doktorant z zespołu Vladimira Strocova, który przeprowadził pomiary na heterostrukturze NbN/GaN. Wraz z Wrightem Yu jest pierwszym autorem nowej publikacji.

Metoda SX-ARPES dostarcza rodzaj mapy, na której współrzędne przestrzenne w jednym kierunku pokazują energię elektronów, a w drugim coś na kształt ich prędkości; dokładniej ich pędu. „Na tej mapie stany elektronowe ukazują się jako jasne pasma”, wyjaśnia Yu. Kluczowy wynik badania: na granicy materiałów między nitroboranem niobowym NbN a nitro-galowym GaN pasma te są wyraźnie od siebie oddzielone. Naukowcy odczytali z tego, że elektrony pozostają w swoim pierwotnym materiale i nie oddziałują z elektronami w sąsiednim materiale.

„Najważniejszym wnioskiem dla nas jest to, że nadprzewodzenie w nitroboranie niobowym pozostaje niezakłócone, nawet gdy atom po atomie jest nakładane na warstwę nitro-galowego GaN”, mówi Vladimir Strocov. „Dzięki temu mogliśmy dodać kolejny element układanki, potwierdzając: ten system warstwowy może rzeczywiście wywołać nową formę elektroniki półprzewodnikowej, która integruje i wykorzystuje efekty kwantowe w nadprzewodnikach.”