Des chercheurs créent un « beau mariage » avec des ennemis quantiques


Les chercheurs créent "beau mariage" d'ennemis quantiques

Les doctorants Phillip Dang (à gauche) et Reet Chaudhuri du National High Magnetic Field Laboratory ont mesuré une structure de matériau qui présente simultanément la supraconductivité et l’effet Hall quantique. Crédit: fourni par Jena-Xing Lab

Les scientifiques de l’Université Cornell ont identifié un nouveau concurrent en ce qui concerne les matériaux pour les ordinateurs et l’électronique à basse .

En utilisant matériaux à base de nitrure, les chercheurs ont créé une structure matérielle qui présente simultanément une supraconductivité – dans laquelle la résistance électrique disparaît complètement – et l’effet Hall quantique, qui crée une résistance avec une extrême précision lorsqu’un magnétique est appliqué.

«C’est une belle combinaison des deux choses que nous savons à l’échelle microscopique et qui confèrent aux électrons les propriétés quantiques les plus étonnantes», a déclaré Debdeep Jena, professeur David E. Burr en génie à la Faculté de génie électrique et informatique et au Département de Science et génie des matériaux. Jena a dirigé la recherche, publiée le 19 février dans Progrès de la scienceavec le doctorant Phillip Dang et l’associé de recherche Guru Khalsa, les principaux auteurs du journal.

Les deux propriétés physiques sont rarement vues en même temps, car le magnétisme est comme la kryptonite pour les matériaux supraconducteurs, selon Jena.

« Les champs magnétiques détruisent la supraconductivité, mais l’effet Hall quantique ne se produit que dans les semi-conducteurs avec de grands champs magnétiques, vous devez donc jouer avec ces deux extrêmes », a déclaré Jena. « Les chercheurs ont tenté ces dernières années d’identifier des matériaux qui présentent les deux propriétés avec un succès mitigé. »

La recherche est la dernière confirmation du Jena-Xing Lab que les matériaux en nitrure peuvent offrir plus de science qu’on ne le pensait auparavant. Les nitrures ont traditionnellement été utilisés pour fabriquer des LED et des transistors pour des produits tels que les smartphones et l’éclairage domestique, ce qui leur donne la réputation d’être une classe industrielle de matériaux qui a été négligée pour le calcul quantique et l’électronique cryogénique.

« Le matériau lui-même n’est pas aussi parfait que le silicium, ce qui signifie qu’il a beaucoup plus de défauts », a déclaré le co-auteur Huili Grace Xing, professeur William L. Quackenbush de électrique et informatique et de science et technologie des matériaux. « En raison de sa robustesse, ce matériau, malgré ses très grandes irrégularités de structure, a causé plus d’une fois d’agréables surprises à la communauté de recherche. Il pourrait y avoir un moyen pour nous d’intégrer véritablement différentes modalités de l’ordinateur quantique – calcul, mémoire, la communication. »

Une telle intégration pourrait aider à réduire la taille des ordinateurs quantiques et autres appareils électroniques de nouvelle génération, tout comme les ordinateurs classiques sont passés du stockage au format de poche.

«Nous nous demandons ce que ce type de plate-forme matérielle peut rendre possible car nous le voyons cocher de nombreuses cases», a déclaré Jena, qui a ajouté que de nouveaux phénomènes physiques et applications technologiques pourraient émerger avec des recherches supplémentaires. « Il a un supraconducteur, un semi-conducteur, un matériau filtrant – il a toutes sortes d’autres composants, mais nous ne les avons pas tous réunis. Nous venons de découvrir qu’ils peuvent coexister. »

Pour cette recherche, l’équipe de Cornell a commencé par concevoir des hétérostructures de nitrure épitaxial – des couches atomiquement minces de nitrure de gallium et de nitrure de niobium – et a recherché les conditions dans lesquelles les champs magnétiques et les températures dans les couches conserveraient leurs propriétés de Hall quantique et supraconductrices respectives.

Ils ont finalement découvert une petite fenêtre dans laquelle les propriétés pouvaient être observées simultanément, grâce aux progrès de la qualité des matériaux et des structures réalisés en étroite collaboration avec des collègues du Naval Research Laboratory.

« La qualité du supraconducteur en nitrure de niobium a été améliorée au point qu’il peut résister à des champs magnétiques plus élevés, et en même temps, nous avons dû améliorer la qualité du semi-conducteur en nitrure de gallium afin qu’il puisse montrer l’effet Hall quantique à un magnétisme plus faible. champs « dit Dang. « Et c’est exactement ce qui permettra de voir une nouvelle physique potentielle à basse température. »

Les applications possibles pour la structure du matériau sont une électronique plus efficace, par ex. B. Centres de données refroidis à des températures extrêmement basses afin d’éviter le gaspillage de chaleur. Et la structure est la première à jeter les bases de l’utilisation de semi-conducteurs nitrures et de supraconducteurs dans les ordinateurs quantiques topologiques, dans lesquels le mouvement des électrons doit être résistant aux défauts de matériaux typiques des nitrures.

«Nous avons montré que les ingrédients dont vous avez besoin pour cette phase topologique peuvent avoir la même structure», a déclaré Khalsa. « Et je pense que la flexibilité des nitrures ouvre vraiment de nouvelles possibilités et de nouvelles façons d’explorer les états topologiques de la matière. »


Nouvelle structure supraconductrice semi-conductrice avec nitrure de gallium polyvalent


Plus d’information:
Phillip Dang et al., Une hétérostructure de nitrure purement épitaxiale avec effet Hall quantique et supraconductivité simultanés, Progrès de la science (2021). DOI: 10.1126 / sciadv.abf1388

Fourni par l’Université Cornell

Citation: Des chercheurs créent un «  beau  » d’ennemis quantiques (2021, 22 février), consulté le 23 février 2021 sur https://phys.org/news/2021-02-beautiful-marriage-quantum-enemies.html

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