Il silicio è stato il materiale semiconduttore di scelta per l'elettronica praticamente da quando l'effetto del transistor è stato osservato e identificato per la prima volta quasi 80 anni fa. C'è una valle in California che prende il nome da questo, Dopotutto.

Ma una famiglia relativamente nuova di semiconduttori:nitruri del gruppo III, compreso il nitruro di gallio (GaN), nitruro di indio e nitruro di alluminio:offre una maggiore versatilità rispetto al silicio con capacità di comunicazioni wireless ultraveloci, interruttori ad alta tensione e illuminazione e fotonica ad alta intensità.

Una squadra guidata da Debdeep Jena, professore di ingegneria elettrica e informatica (ECE), e David Meyer, capo della sezione Materiali e Dispositivi Wide Bandgap presso il Laboratorio di Ricerca Navale, ha ideato con successo una struttura cristallina semiconduttore-superconduttore con GaN cresciuto direttamente su un cristallo di nitruro di niobio (NbN), un comprovato materiale superconduttore utilizzato nelle comunicazioni quantistiche, astronomia e una miriade di altre applicazioni.

La carta del gruppo, "Eterostrutture semiconduttore/superconduttore epitassiale GaN/NbN, " viene pubblicato online l'8 marzo in Natura . L'ex ricercatore post-dottorato Rusen Yan e l'attuale postdoc Guru Khalsa sono autori co-responsabili.

Altri contributori chiave sono stati Grace Xing, il Professore Sesquicentennial Richard Lundquist in ECE e MSE, e David Muller, il Samuel B. Eckert Professore di Ingegneria presso il Dipartimento di Fisica Applicata e dell'Ingegneria.

Il metodo per combinare i due materiali:epitassia a fascio molecolare (MBE), essenzialmente la verniciatura a spruzzo di atomi di gallio e azoto sull'NbN in un ambiente sotto vuoto, crea un'interfaccia estremamente pulita ed è la chiave del successo della nuova struttura.

Questo anticipo, il gruppo dice apre una gamma di possibilità che possono ora combinare gli effetti quantistici macroscopici dei superconduttori con le ricche proprietà elettroniche e fotoniche dei semiconduttori di nitruro del gruppo III.

"Le persone l'hanno provato con altri semiconduttori, come silicio e arseniuro di gallio, ma non credo che nulla abbia avuto successo come quello che siamo riusciti a fare con GaN, " ha detto Jena, che ha un doppio appuntamento con il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali (MSE).

I semiconduttori a base di nitruro di gallio hanno recentemente fatto grandi passi avanti nei settori dell'illuminazione a LED, Diodi laser Blu-ray, energia e comunicazioni. Infatti, il Premio Nobel 2014 per la fisica è stato assegnato a un trio di scienziati giapponesi per la loro invenzione di diodi a emissione di luce blu (LED) ad alta efficienza energetica che utilizzano GaN.

I progressi tecnologici - in particolare il tipo di MBE utilizzato in questo lavoro, che è stato sviluppato presso il Naval Research Laboratory – ha permesso agli scienziati di pensare a eterostrutture semiconduttore-superconduttore come quella sviluppata dal gruppo di Jena.

Il sistema MBE di nitruro specializzato include una sorgente di evaporazione a fascio di elettroni, che "scioglie" il niobio – che ha un punto di fusione di circa 4, 500 gradi, ma non nel crogiolo in cui si trova. Gli atomi di niobio vengono depositati su un wafer di carburo di silicio, e gli strati di semiconduttore di GaN vengono quindi cresciuti sopra di esso, anche da MBE.

"Questa nuova sorgente ci ha permesso di superare i limiti di temperatura delle sorgenti convenzionali, e portare ad alto punto di fusione, metalli di transizione refrattari come niobio e tantalio nell'immagine, " ha detto Meyer.

Il team ha dimostrato per la prima volta la crescita e la fabbricazione di un interruttore a transistor a semiconduttore, l'elemento di guadagno prototipo in elettronica, direttamente sopra uno strato superconduttore cristallino. Questa eterostruttura è una sorta di "meglio dei due mondi, "Jena ha detto, offrendo un metodo per ideare il calcolo quantistico e sistemi di comunicazione altamente sicuri.

"Ci sono alcune cose che ci piacerebbe fare con i sistemi quantistici:calcolo quantistico e crittografia, cose che non sono possibili nei sistemi classici, " ha detto. "D'altra parte, ci sono cose in cui i sistemi classici sono molto più bravi dei sistemi quantistici. E c'è questa mesozona in cui puoi fare cose meravigliose mescolando e abbinando i due".

"Pensiamo che questo rappresenti una meravigliosa opportunità per un rapido sviluppo tecnologico delle comunicazioni di prossima generazione e dei sistemi di calcolo, " ha detto Meyer.