Les semi-conducteurs atteignent le monde quantique

Les semi-conducteurs atteignent le monde quantique

La « carte » des électrons : Ce graphique, obtenu avec la méthode SX-ARPES, montre des bandes lumineuses représentant les états que les électrons occupent dans l’espace énergie/impulsion. La bande dans le nitrure de gallium semi-conducteur (GaN) est clairement séparée des états supraconducteurs (entourés de tirets bleu clair) dans le nitrure de niobium (NbN). Cela signifie que les électrons décisifs dans les deux matériaux n’interfèrent pas les uns avec les autres. Crédit : Institut Paul Scherrer/Tianlun Yu

Les effets quantiques dans les supraconducteurs pourraient donner une nouvelle tournure à la technologie des semi-conducteurs. Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI et de l’Université Cornell dans l’État de New York ont ​​identifié un matériau composite qui pourrait intégrer des dispositifs quantiques dans la technologie des semi-conducteurs, rendant les composants électroniques beaucoup plus puissants. Ils publient aujourd’hui leurs découvertes dans la revue Avancées scientifiques.

Notre infrastructure électronique actuelle repose principalement sur des semi-conducteurs. Cette classe de matériaux a émergé vers le milieu du 20e siècle et n’a cessé de s’améliorer depuis. Actuellement, les défis les plus importants dans l’électronique des semi-conducteurs comprennent d’autres améliorations qui augmenteraient la bande passante de la transmission de données, l’efficacité énergétique et la sécurité de l’information. L’exploitation des effets quantiques est susceptible d’être une percée.

Les effets quantiques qui peuvent se produire dans les matériaux supraconducteurs méritent particulièrement d’être pris en considération. Les supraconducteurs sont des matériaux dans lesquels la résistance électrique disparaît lorsqu’ils sont refroidis en dessous d’une certaine température. Le fait que les effets quantiques dans les supraconducteurs puissent être utilisés a déjà été démontré dans les premiers ordinateurs quantiques.

Pour trouver des successeurs possibles à l’électronique des semi-conducteurs d’aujourd’hui, certains chercheurs, dont un groupe de l’Université de Cornell, étudient ce qu’on appelle les hétérojonctions, c’est-à-dire des structures constituées de deux types de matériaux différents. Plus précisément, ils étudient les systèmes en couches de matériaux supraconducteurs et semi-conducteurs. « On sait depuis un certain temps que vous devez sélectionner des matériaux avec des structures cristallines très similaires pour cela, afin qu’il n’y ait pas de tension dans le réseau cristallin à la surface de contact », explique John Wright, qui a produit les hétérojonctions pour la nouvelle étude. à l’Université Cornell.

Deux matériaux appropriés à cet égard sont le nitrure de niobium supraconducteur (NbN) et le nitrure de gallium semi-conducteur (GaN). Ce dernier joue déjà un rôle important dans l’électronique des semi-conducteurs et fait donc l’objet de nombreuses recherches. Jusqu’à présent, cependant, on ne savait pas exactement comment les électrons se comportent à l’interface de contact de ces deux matériaux et s’il est possible que les électrons du semi-conducteur interfèrent avec la supraconductivité et effacent ainsi les effets quantiques.

« Quand je suis tombé sur les recherches du groupe de Cornell, je savais : ici, au PSI, nous pouvons trouver la réponse à cette question fondamentale avec nos méthodes spectroscopiques sur la ligne de lumière ADRESS », explique Vladimir Strocov, chercheur à la source de lumière synchrotron SLS à PSI.

C’est ainsi que les deux groupes en sont venus à collaborer. Dans leurs expériences, ils ont finalement découvert que les électrons des deux matériaux « restent entre eux ». Aucune interaction indésirable qui pourrait potentiellement gâcher les effets quantiques n’a lieu.

La lumière synchrotron révèle les structures électroniques

Les chercheurs du PSI ont utilisé une méthode bien établie sur la ligne de lumière ADRESS du SLS : la spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire utilisant des rayons X mous – ou SX-ARPES en abrégé. « Avec cette méthode, on peut visualiser le mouvement collectif des électrons dans le matériau », explique Tianlun Yu, chercheur postdoctoral dans l’équipe de Vladimir Strocov, qui a réalisé les mesures sur l’hétérostructure NbN/GaN. Avec Wright, Yu est le premier auteur de la nouvelle publication.

La méthode SX-ARPES fournit une sorte de carte dont les coordonnées spatiales montrent l’énergie des électrons dans une direction et quelque chose comme leur vitesse dans l’autre ; plus précisément, leur élan. « Dans cette représentation, les états électroniques apparaissent sous forme de bandes lumineuses sur la carte », explique Yu. Le résultat crucial de la recherche : à la frontière matérielle entre le nitrure de niobium NbN et le nitrure de gallium GaN, les « bandes » respectives sont clairement séparées les unes des autres. Cela indique aux chercheurs que les électrons restent dans leur matériau d’origine et n’interagissent pas avec les électrons du matériau voisin.

« La conclusion la plus importante pour nous est que la supraconductivité dans le nitrure de niobium reste intacte, même si elle est placée atome par atome pour correspondre à une couche de nitrure de gallium », explique Vladimir Strokov. « Avec cela, nous avons pu fournir une autre pièce du puzzle qui confirme : ce système de couches pourrait en fait se prêter à une nouvelle forme d’électronique semi-conductrice qui intègre et exploite les effets quantiques qui se produisent dans les supraconducteurs. »


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Plus d’information:
Tianlun Yu et al, Structure de bande électronique résolue par Momentum et décalages dans une hétérojonction épitaxiale NbN/GaN supraconducteur/semiconducteur, Avancées scientifiques (2021). DOI : 10.1126 / sciadv.abi5833. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi5833

Fourni par l’Institut Paul Scherrer

Citation: Les semi-conducteurs atteignent le monde quantique (2021, 22 décembre) récupéré le 22 décembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-12-semiconductors-quantum-world.html

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