Forskere skaber smukke ægteskaber af kvantefjender

Forskere fra Cornell University har identificeret en ny udfordrer, når det kommer til kvantematerialer til computere og lavtemperaturelektronik.

Brug af nitridbaserede materialer, forskerne skabte en materialestruktur, der samtidigt udviser superledning - hvor elektrisk modstand forsvinder fuldstændigt - og kvante Hall-effekten, som frembringer modstand med ekstrem præcision, når et magnetfelt påføres.

"Dette er et smukt ægteskab af de to ting, vi ved, på mikroskala, der giver elektroner de mest opsigtsvækkende kvanteegenskaber, " sagde Debdeep Jena, David E. Burr professor i ingeniørvidenskab på School of Electrical and Computer Engineering og Institut for Materials Science and Engineering. Jena ledede forskningen, udgivet 19. februar i Videnskabens fremskridt , med ph.d.-studerende Phillip Dang og forskningsassistent Guru Khalsa, avisens seniorforfattere.

De to fysiske egenskaber ses sjældent samtidigt, fordi magnetisme er som kryptonit for superledende materialer, ifølge Jena.

"Magnetiske felter ødelægger superledning, men kvante Hall-effekten viser sig kun i halvledere ved store magnetfelter, så du bliver nødt til at lege med disse to yderpunkter, " sagde Jena. "Forskere i de sidste par år har forsøgt at identificere materialer, der viser begge egenskaber med blandet succes."

Forskningen er den seneste validering fra Jena-Xing Lab om, at nitridmaterialer kan have mere at tilbyde videnskab end tidligere antaget. Nitrider er traditionelt blevet brugt til fremstilling af LED'er og transistorer til produkter som smartphones og hjemmebelysning, giver dem et ry som en industriel klasse af materialer, der er blevet overset for kvanteberegning og kryogen elektronik.

"Materialet i sig selv er ikke så perfekt som silicium, hvilket betyder, at den har mange flere defekter, " sagde medforfatter Huili Grace Xing, William L. Quackenbush professor i elektro- og computerteknik og i materialevidenskab og -teknik. "Men på grund af dens robusthed, dette materiale har kastet glædelige overraskelser til forskersamfundet mere end én gang på trods af dets ekstremt store uregelmæssigheder i strukturen. Der kan være en vej frem for os til virkelig at integrere forskellige modaliteter inden for kvanteberegning – beregning, hukommelse, meddelelse."

En sådan integration kan hjælpe med at kondensere størrelsen af ​​kvantecomputere og anden næste generations elektronik, ligesom klassiske computere er skrumpet fra lager til lommestørrelse.

"Vi spekulerer på, hvad denne slags materialeplatform kan muliggøre, fordi vi ser, at den markerer en masse felter, " sagde Jena, som tilføjede, at nye fysiske fænomener og teknologiske anvendelser kunne dukke op med yderligere forskning. "Den har en superleder, en halvleder, et filtermateriale – det har alle mulige andre komponenter, men vi har ikke sat dem alle sammen. Vi har lige opdaget, at de kan eksistere side om side."

Til denne forskning, Cornell-teamet begyndte at konstruere epitaksielle nitrid-heterostrukturer - atomisk tynde lag af galliumnitrid og niobiumnitrid - og søge efter forhold, hvor magnetiske felter og temperaturer i lagene ville bevare deres respektive kvante-Hall- og superledende egenskaber.

De opdagede til sidst et lille vindue, hvor egenskaberne blev observeret samtidigt, takket være fremskridt i kvaliteten af ​​de materialer og strukturer, der er produceret i tæt samarbejde med kolleger på Søværnets Forskningslaboratorium.

"Kvaliteten af ​​niobium-nitrid superlederen blev forbedret nok til at den kan overleve højere magnetfelter, og samtidig var vi nødt til at forbedre kvaliteten af ​​gallium-nitrid-halvlederen nok til at den kunne udvise kvante-Hall-effekten ved lavere magnetiske felter, " sagde Dang. "Og det er det, der virkelig vil give mulighed for, at potentiel ny fysik kan ses ved lav temperatur."

Potentielle anvendelser for materialestrukturen omfatter mere effektiv elektronik, datacentre afkølet til ekstremt lave temperaturer for at eliminere varmespild. Og strukturen er den første, der danner grundlaget for brugen af ​​nitridhalvledere og superledere i topologisk kvanteberegning, hvor elektronernes bevægelse skal være modstandsdygtig overfor de materialefejl, der typisk ses i nitrider.

"Det, vi har vist, er, at de ingredienser, du skal bruge for at lave denne topologiske fase, kan være i samme struktur, " sagde Khalsa, "og jeg tror, ​​at nitridernes fleksibilitet virkelig åbner op for nye muligheder og måder at udforske topologiske tilstande af stof."