Wetenschappers van de Cornell University hebben een nieuwe concurrent geïdentificeerd als het gaat om kwantummaterialen voor computers en elektronica bij lage temperaturen.

Door gebruik te maken van op nitride gebaseerde materialen, de onderzoekers creëerden een materiële structuur die tegelijkertijd supergeleiding vertoont - waarin elektrische weerstand volledig verdwijnt - en het kwantum Hall-effect, die met uiterste precisie weerstand produceert wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd.

"Dit is een prachtig huwelijk van de twee dingen die we weten, op microschaal, die elektronen de meest verrassende kwantumeigenschappen geven, " zei Debdeep Jena, de David E. Burr hoogleraar Engineering aan de School of Electrical and Computer Engineering en Department of Materials Science and Engineering. Jena leidde het onderzoek, gepubliceerd op 19 februari in wetenschappelijke vooruitgang , met promovendus Phillip Dang en onderzoeksmedewerker Guru Khalsa, senior auteurs van de krant.

De twee fysische eigenschappen worden zelden gelijktijdig gezien, omdat magnetisme lijkt op kryptoniet voor supergeleidende materialen, volgens Jena.

"Magnetische velden vernietigen supergeleiding, maar het kwantum Hall-effect komt alleen voor in halfgeleiders bij grote magnetische velden, dus je moet met deze twee uitersten spelen, " Zei Jena. "Onderzoekers hebben de afgelopen jaren met wisselend succes geprobeerd materialen te identificeren die beide eigenschappen vertonen."

Het onderzoek is de nieuwste validatie van het Jena-Xing Lab dat nitridematerialen de wetenschap mogelijk meer te bieden hebben dan eerder werd gedacht. Nitriden worden van oudsher gebruikt voor de productie van LED's en transistors voor producten zoals smartphones en huisverlichting, waardoor ze een reputatie hebben als een industriële klasse van materialen die over het hoofd is gezien voor kwantumberekening en cryogene elektronica.

"Het materiaal zelf is niet zo perfect als silicium, wat betekent dat het veel meer gebreken heeft, " zei co-auteur Huili Grace Xing, de William L. Quackenbush hoogleraar Electrical and Computer Engineering en Materials Science and Engineering. "Maar vanwege zijn robuustheid, dit materiaal heeft de onderzoeksgemeenschap meer dan eens voor aangename verrassingen gebracht, ondanks de extreem grote onregelmatigheden in structuur. Er kan voor ons een weg voorwaarts zijn om verschillende modaliteiten van kwantumcomputing echt te integreren:geheugen, communicatie."

Een dergelijke integratie zou kunnen helpen om de omvang van kwantumcomputers en andere elektronica van de volgende generatie te verkleinen, net zoals klassieke computers zijn gekrompen van pakhuis tot zakformaat.

"We vragen ons af wat dit soort materiaalplatform mogelijk maakt, omdat we zien dat het veel vakjes afvinkt, " zei Jena, die eraan toevoegde dat met verder onderzoek nieuwe fysische fenomenen en technologische toepassingen zouden kunnen ontstaan. "Het heeft een supergeleider, een halfgeleider, een filtermateriaal - het heeft allerlei andere componenten, maar we hebben ze niet allemaal bij elkaar gezet. We hebben net ontdekt dat ze naast elkaar kunnen bestaan."

Voor dit onderzoek is het Cornell-team begon met het ontwerpen van epitaxiale nitride-heterostructuren - atomair dunne lagen van galliumnitride en niobiumnitride - en op zoek naar omstandigheden waarin magnetische velden en temperaturen in de lagen hun respectieve quantum Hall- en supergeleidende eigenschappen zouden behouden.

Ze ontdekten uiteindelijk een klein venster waarin de eigenschappen tegelijkertijd werden waargenomen, dankzij de vooruitgang in de kwaliteit van de materialen en structuren geproduceerd in nauwe samenwerking met collega's van het Naval Research Laboratory.

"De kwaliteit van de niobiumnitride-supergeleider is voldoende verbeterd om hogere magnetische velden te kunnen overleven, en tegelijkertijd moesten we de kwaliteit van de galliumnitride-halfgeleider voldoende verbeteren om het kwantum Hall-effect te vertonen bij lagere magnetische velden, " Zei Dang. "En dat is wat het echt mogelijk maakt om potentiële nieuwe fysica bij lage temperaturen te zien."

Mogelijke toepassingen voor de materiaalstructuur zijn onder meer efficiëntere elektronica, zoals datacenters die tot extreem lage temperaturen worden gekoeld om warmteverspilling te voorkomen. En de structuur is de eerste die de basis legt voor het gebruik van nitridehalfgeleiders en supergeleiders in topologische kwantumcomputers, waarin de beweging van elektronen veerkrachtig moet zijn tegen de materiaaldefecten die typisch zijn voor nitriden.

"Wat we hebben laten zien, is dat de ingrediënten die je nodig hebt om deze topologische fase te maken in dezelfde structuur kunnen zitten, " zei Khalsa, "en ik denk dat de flexibiliteit van de nitriden echt nieuwe mogelijkheden en manieren opent om topologische toestanden van materie te verkennen."