Gli scienziati della Cornell University hanno identificato un nuovo contendente quando si tratta di materiali quantistici per l'informatica e l'elettronica a bassa temperatura.

Utilizzando materiali a base di nitruro, i ricercatori hanno creato una struttura materiale che mostra contemporaneamente la superconduttività, in cui la resistenza elettrica svanisce completamente, e l'effetto Hall quantistico, che produce resistenza con estrema precisione quando viene applicato un campo magnetico.

"Questo è un bellissimo matrimonio delle due cose che sappiamo, alla microscala, che danno agli elettroni le proprietà quantistiche più sorprendenti, " ha detto Debdeep Jena, il David E. Burr Professor of Engineering presso la School of Electrical and Computer Engineering e Department of Materials Science and Engineering. Jena ha condotto la ricerca, pubblicato il 19 febbraio in Progressi scientifici , con il dottorando Phillip Dang e il ricercatore associato Guru Khalsa, gli autori senior del documento.

Le due proprietà fisiche sono raramente viste contemporaneamente perché il magnetismo è come la kryptonite per i materiali superconduttori, secondo Jena.

"I campi magnetici distruggono la superconduttività, ma l'effetto Hall quantistico si manifesta solo nei semiconduttori con grandi campi magnetici, quindi devi giocare con questi due estremi, " Jena ha detto. "I ricercatori negli ultimi anni hanno cercato di identificare i materiali che mostrano entrambe le proprietà con alterne fortune".

La ricerca è l'ultima convalida del laboratorio Jena-Xing che i materiali in nitruro potrebbero avere più da offrire alla scienza di quanto si pensasse in precedenza. I nitruri sono stati tradizionalmente utilizzati per la produzione di LED e transistor per prodotti come smartphone e illuminazione domestica, dando loro una reputazione come una classe industriale di materiali che è stata trascurata per il calcolo quantistico e l'elettronica criogenica.

"Il materiale in sé non è perfetto come il silicio, il che significa che ha molti più difetti, " ha detto il co-autore Huili Grace Xing, il William L. Quackenbush Professore di Ingegneria Elettrica e Informatica e di Scienza e Ingegneria dei Materiali. "Ma a causa della sua robustezza, questo materiale ha riservato piacevoli sorprese alla comunità di ricerca più di una volta nonostante le sue enormi irregolarità nella struttura. Potrebbe esserci un percorso in avanti per noi per integrare veramente diverse modalità di calcolo quantistico:calcolo, memoria, comunicazione."

Tale integrazione potrebbe aiutare a condensare le dimensioni dei computer quantistici e di altri dispositivi elettronici di prossima generazione, proprio come i computer classici si sono ridotti da magazzino a formato tascabile.

"Ci chiediamo cosa può consentire questo tipo di piattaforma materiale perché vediamo che sta spuntando molte caselle, " ha detto Jena, che ha aggiunto che nuovi fenomeni fisici e applicazioni tecnologiche potrebbero emergere con ulteriori ricerche. "Ha un superconduttore, un semiconduttore, un materiale filtrante:ha tutti i tipi di altri componenti, ma non li abbiamo messi tutti insieme. Abbiamo appena scoperto che possono coesistere".

Per questa ricerca, il team di Cornell ha iniziato a progettare eterostrutture di nitruro epitassiale - strati atomicamente sottili di nitruro di gallio e nitruro di niobio - e alla ricerca di condizioni in cui i campi magnetici e le temperature negli strati mantenessero le loro rispettive proprietà quantistiche e superconduttive.

Alla fine hanno scoperto una piccola finestra in cui le proprietà sono state osservate contemporaneamente, grazie ai progressi nella qualità dei materiali e delle strutture prodotte in stretta collaborazione con i colleghi del Laboratorio di Ricerca Navale.

"La qualità del superconduttore di nitruro di niobio è stata migliorata abbastanza da poter sopravvivere a campi magnetici più elevati, e contemporaneamente abbiamo dovuto migliorare la qualità del semiconduttore al nitruro di gallio abbastanza da poter esibire l'effetto Hall quantistico a campi magnetici inferiori, " Ha detto Dang. "E questo è ciò che consentirà davvero di vedere la potenziale nuova fisica a bassa temperatura".

Le potenziali applicazioni per la struttura del materiale includono un'elettronica più efficiente, come i data center raffreddati a temperature estremamente basse per eliminare gli sprechi di calore. E la struttura è la prima a gettare le basi per l'uso di semiconduttori e superconduttori di nitruro nell'informatica quantistica topologica, in cui il movimento degli elettroni deve essere resistente ai difetti del materiale tipici dei nitruri.

"Ciò che abbiamo dimostrato è che gli ingredienti necessari per realizzare questa fase topologica possono trovarsi nella stessa struttura, "Khalsa ha detto, "e penso che la flessibilità dei nitruri apra davvero nuove possibilità e modi per esplorare gli stati topologici della materia".