I semiconduttori raggiungono il mondo quantistico

 

I semiconduttori raggiungono il mondo quantistico
La "mappa" degli elettroni: Questo grafico, ottenuto con il metodo SX-ARPES, mostra bande luminose che rappresentano gli stati che gli elettroni occupano nello spazio energia/momento. La banda nel semiconduttore nitruro di gallio (GaN) è chiaramente separata dagli stati superconduttori (circondati da trattini azzurri) nel nitruro di niobio (NbN). Questo significa che gli elettroni decisivi nei due materiali non interferiscono tra loro.

Gli effetti quantistici nei superconduttori potrebbero dare una nuova svolta alla tecnologia dei semiconduttori. I ricercatori del Paul Scherrer Institute PSI e della Cornell University nello stato di New York hanno identificato un materiale composito che potrebbe integrare dispositivi quantistici nella tecnologia dei semiconduttori, rendendo i componenti elettronici significativamente più potenti. Pubblicano i loro risultati oggi nella rivista Science Advances.


La nostra attuale infrastruttura elettronica si basa principalmente sui semiconduttori. Questa classe di materiali è emersa intorno alla metà del 20° secolo e da allora ha continuato a migliorare. Attualmente, le sfide più importanti nell'elettronica dei semiconduttori includono ulteriori miglioramenti che aumenterebbero la larghezza di banda della trasmissione dei dati, l'efficienza energetica e la sicurezza delle informazioni. Lo sfruttamento degli effetti quantistici sarà probabilmente una svolta.


Gli effetti quantistici che possono verificarsi nei materiali superconduttori sono particolarmente degni di considerazione. I superconduttori sono materiali in cui la resistenza elettrica scompare quando vengono raffreddati sotto una certa temperatura. Il fatto che gli effetti quantici nei superconduttori possano essere utilizzati è già stato dimostrato nei primi computer quantici.


Per trovare possibili successori per l'elettronica a semiconduttore di oggi, alcuni ricercatori - tra cui un gruppo della Cornell University - stanno studiando le cosiddette eterojunzioni, cioè strutture fatte di due diversi tipi di materiali. Più specificamente, stanno esaminando sistemi stratificati di materiali superconduttori e semiconduttori. "È noto da tempo che bisogna selezionare materiali con strutture cristalline molto simili per questo, in modo che non ci sia tensione nel reticolo cristallino sulla superficie di contatto", spiega John Wright, che ha prodotto le eterojunzioni per il nuovo studio alla Cornell University.


Due materiali adatti in questo senso sono il nitruro di niobio superconduttore (NbN) e il nitruro di gallio semiconduttore (GaN). Quest'ultimo gioca già un ruolo importante nell'elettronica dei semiconduttori ed è quindi ben studiato. Fino ad ora, però, non era chiaro esattamente come si comportano gli elettroni all'interfaccia di contatto di questi due materiali e se è possibile che gli elettroni del semiconduttore interferiscano con la superconduttività e quindi cancellino gli effetti quantici.


"Quando mi sono imbattuto nella ricerca del gruppo della Cornell, ho capito: qui al PSI possiamo trovare la risposta a questa domanda fondamentale con i nostri metodi spettroscopici alla beamline ADRESS", spiega Vladimir Strocov, ricercatore alla Synchrotron Light Source SLS al PSI.


È così che i due gruppi sono arrivati a collaborare. Nei loro esperimenti, alla fine hanno scoperto che gli elettroni in entrambi i materiali "si tengono per sé". Nessuna interazione indesiderata che potrebbe potenzialmente rovinare gli effetti quantici ha luogo.


La luce di sincrotrone rivela le strutture elettroniche

I ricercatori del PSI hanno usato un metodo ben stabilito alla beamline ADRESS dell'SLS: la spettroscopia fotoelettronica angolare risolta usando raggi X morbidi - o SX-ARPES in breve. "Con questo metodo, possiamo visualizzare il movimento collettivo degli elettroni nel materiale", spiega Tianlun Yu, un ricercatore post-dottorato nel team di Vladimir Strocov, che ha effettuato le misure sull'eterostruttura 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 mostrano l'energia degli elettroni in una direzione e qualcosa come la loro velocità nell'altra; più precisamente, il loro momento. "In questa rappresentazione, gli stati elettronici appaiono come bande luminose nella mappa", spiega Yu. Il risultato cruciale della ricerca: al confine materiale tra il nitruro di niobio NbN e il nitruro di gallio GaN, le rispettive "bande" sono chiaramente separate l'una dall'altra. Questo dice ai ricercatori che gli elettroni rimangono nel loro materiale originale e non interagiscono con gli elettroni del materiale vicino.


"La conclusione più importante per noi è che la superconduttività nel nitruro di niobio rimane indisturbata, anche se questo viene messo atomo per atomo per abbinare uno strato di nitruro di gallio", dice Vladimir Strocov. "Con questo, siamo stati in grado di fornire un altro pezzo del puzzle che conferma: Questo sistema di strati potrebbe effettivamente prestarsi a una nuova forma di elettronica a semiconduttore che incorpora e sfrutta gli effetti quantistici che avvengono nei superconduttori".


Ulteriori informazioni: Tianlun Yu et al, Momentum-resolved electronic band structure and offsets in an epitaxial NbN/GaN superconductor/semiconductor heterojunction, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abi5833


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