Identifican material que podría integrar dispositivos cuánticos en la tecnología de los semiconductores

Los efectos cuánticos en los superconductores podrían dar un nuevo giro a la tecnología de semiconductores.

Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI y la Universidad de Cornell en el estado de Nueva York han identificado un material compuesto que podría integrar dispositivos cuánticos en la tecnología de semiconductores, haciendo que los componentes electrónicos sean significativamente más poderosos.

Nuestra infraestructura electrónica actual se basa principalmente en semiconductores.

Esta clase de materiales surgió a mediados del siglo XX y ha ido mejorando desde entonces.

Actualmente, los desafíos más importantes en la electrónica de semiconductores incluyen mejoras adicionales que aumentarían el ancho de banda de transmisión de datos, la eficiencia energética y la seguridad de la información.

Es probable que la explotación de los efectos cuánticos sea un gran avance.

Los efectos cuánticos que pueden ocurrir en materiales superconductores son particularmente dignos de consideración.

Los superconductores son materiales en los que la resistencia eléctrica desaparece cuando se enfrían por debajo de una determinada temperatura.

El hecho de que se puedan utilizar los efectos cuánticos en superconductores ya se ha demostrado en las primeras computadoras cuánticas.

Para encontrar posibles sucesores para la electrónica de semiconductores actual, algunos investigadores, incluido un grupo de la Universidad de Cornell, están investigando las llamadas heterouniones, es decir, estructuras hechas de dos tipos diferentes de materiales.

Más específicamente, están estudiando sistemas en capas de materiales superconductores y semiconductores.

“Se sabe desde hace algún tiempo que hay que seleccionar materiales con estructuras cristalinas muy similares para esto, de modo que no haya tensión en la red cristalina en la superficie de contacto”, explica John Wright, quien produjo las heterouniones para el nuevo estudio en la Universidad de Cornell.

Dos materiales adecuados a este respecto son el nitruro de niobio superconductor (NbN) y el nitruro de galio semiconductor (GaN).

Este último ya juega un papel importante en la electrónica de semiconductores y, por lo tanto, está bien investigado.

Hasta ahora, sin embargo, no estaba claro exactamente cómo se comportan los electrones en la interfaz de contacto de estos dos materiales, y si es posible que los electrones del semiconductor interfieran con la superconductividad y, por lo tanto, eliminen los efectos cuánticos.

“Cuando encontré la investigación del grupo en Cornell, supe: aquí en PSI podemos encontrar la respuesta a esta pregunta fundamental con nuestros métodos espectroscópicos en la línea de luz ADRESS“, explica Vladimir Strocov, investigador de Synchrotron Light Source SLS en PSI.

Así es como llegaron a colaborar los dos grupos.

En sus experimentos, finalmente encontraron que los electrones en ambos materiales “se mantienen para sí mismos“.

No se produce ninguna interacción no deseada que pueda estropear los efectos cuánticos.

Los investigadores de PSI utilizaron un método bien establecido en la línea de luz ADRESS del SLS: espectroscopía de fotoelectrones de resolución angular utilizando rayos X blandos, o SX-ARPES para abreviar.

“Con este método, podemos visualizar el movimiento colectivo de los electrones en el material“, explica Tianlun Yu, investigador postdoctoral del equipo de Vladimir Strocov, que llevó a cabo las mediciones en la heteroestructura NbN/GaN.

El método SX-ARPES proporciona una especie de mapa cuyas coordenadas espaciales muestran la energía de los electrones en una dirección y algo así como su velocidad en la otra; más precisamente, su impulso.

“En esta representación, los estados electrónicos se muestran como bandas brillantes en el mapa“, explica Yu.

El resultado crucial de la investigación: en el límite material entre el nitruro de niobio NbN y el nitruro de galio GaN, las respectivas “bandas” están claramente separadas entre sí.

Esto les dice a los investigadores que los electrones permanecen en su material original y no interactúan con los electrones en el material vecino.

“La conclusión más importante para nosotros es que la superconductividad en el nitruro de niobio permanece inalterada, incluso si se coloca átomo por átomo para que coincida con una capa de nitruro de galio“, dice Vladimir Strocov.

“Con esto, pudimos proporcionar otra pieza del rompecabezas que confirma: este sistema de capas podría prestarse a una nueva forma de electrónica de semiconductores que integra y explota los efectos cuánticos que ocurren en los superconductores”.

Fuente: ScienceAdvances