Kvanttitoimintoja puolijohdetekniikkaan

Puolijohde galliumnitridissä (GaN) oleva kaista erottuu selvästi suprajohtavista tiloista (vaaleansiniset pisteviivat) niobiumnitridissä (NbN). Tämä tarkoittaa, että näiden kahden materiaalin ratkaisevat elektronit eivät häiritse toisiaan.

Suurempi kuva

Suprajohteiden kvanttivaikutukset voivat antaa puolijohdeteknologialle uuden käänteen.

Paul Scherrer Institute PSI:n ja New Yorkin osavaltion Cornellin yliopiston tutkijat ovat tunnistaneet komposiittimateriaalin, joka voisi integroida kvanttirakenteita puolijohdeteknologiaan tehden elektronisista komponenteista huomattavasti tehokkaampia.

Löytääkseen mahdollisia seuraajia nykypäivän puolijohde-elektroniikkaan jotkut tutkijat – mukaan lukien Cornellin yliopiston ryhmä – tutkivat suprajohtavien ja puolijohtavien materiaalien kerrostettuja järjestelmien heteroliitoksia.

Kaksi sopivaa materiaalia tässä suhteessa ovat suprajohtava niobiumnitridi (NbN) ja puolijohdegalliumnitridi (GaN). Toistaiseksi on kuitenkin ollut epäselvää, miten elektronit käyttäytyvät näiden kahden materiaalin kosketusrajapinnassa - ja onko mahdollista, että puolijohteen elektronit häiritsevät suprajohtavuutta ja siten pilaavat kvanttivaikutukset.

Näiden kahden ryhmän yhteistyö PSI:n SX-ARPES-tutkimuslaitteilla toi esiin, että molemmissa materiaaleissa olevat elektronit pysyvät ominaan. Ei-toivottua vuorovaikutusta, joka voisi mahdollisesti pilata kvanttivaikutukset, ei tapahtunut.

Tutkimusmenetelmällämme saatoimme visualisoida materiaalissa olevien elektronien kollektiivisen liikkeen", selittää NbN/GaN-heterorakenteen mittaukset suorittanut post doc -tutkija Tianlun Yu.

"Meille tärkein johtopäätös on, että niobiumnitridin suprajohtavuus pysyy häiriintymättömänä, vaikka tämä sijoitettaisiin atomi atomilta vastaamaan galliumnitridikerrosta", sanoo tutkijaryhmän vetäjä Vladimir Strocov. "Tämän avulla pystyimme tarjoamaan palapelin osan, joka vahvistaa että tällainen kerrosjärjestelmä voisi itse asiassa soveltua uudelle puolijohde-elektroniikan muodolle, joka upottaa ja hyödyntää suprajohteissa tapahtuvia kvanttivaikutuksia."

Juuri millään tavallisen elektroniikan piirikomponenteilla ei ole suprajohtavaa vastinetta.

Mutta Regensburgin yliopiston tutkijoiden ryhmä yhteistyössä Purduen yliopiston ja Microsoft Quantum Purdue USA:n työtovereiden kanssa ovat osoittaneet kuinka spin-kiertoradan vuorovaikutus voi muuttaa Josephson-liitoksen supravirtadiodiksi, jossa virta kulkee esteettömästi vain yhteen suuntaan, jonka magneettikenttä valitsee.

Suprajohtavan diodin esittely avaa tien sellaisten piirikomponenttien toteuttamiselle, jotka ovat täysin resistanssittomia. Tällaiset komponentit voivat olla pohjana uuden sukupolven elektronisille piireille, jotka eivät tuhlaa energiaa eikä niissä tarvitse kamppailla hukkalämmön kanssa.

Aiheista aiemmin:

Epätavallinen suprajohde kvanttilaskennan alustaksi?

Muisteja erittäin kylmään laskentaan