Un progresso significativo è stato raggiunto dai fisici quantistici di Dresda e Würzburg. Hanno creato un dispositivo a semiconduttore in cui robustezza e sensibilità eccezionali sono assicurate da un fenomeno quantistico. Questo effetto pelle topologico protegge la funzionalità del dispositivo dalle perturbazioni esterne, consentendo misurazioni di precisione senza precedenti.
Questo notevole progresso è il risultato della disposizione intelligente dei contatti sul materiale alluminio-gallio-arseniuro. Sblocca il potenziale dei moduli quantistici ad alta precisione nella fisica topologica, portando questi materiali al centro dell'attenzione dell'industria dei semiconduttori. Questi risultati, pubblicati su Nature Physics , segna un traguardo importante.
I dispositivi a semiconduttore sono minuscoli componenti di commutazione che controllano il flusso di elettroni nei moderni dispositivi elettronici. Alimentano oggetti high-tech onnipresenti come telefoni cellulari, laptop e sensori di automobili, nonché apparecchiature mediche all'avanguardia. Tuttavia, le impurità materiali o i cambiamenti di temperatura possono interrompere il flusso di elettroni, portando all'instabilità.
Ma ora i fisici teorici e sperimentali del Cluster of Excellence ct.qmat—Complexity and Topology in Quantum Matter di Würzburg-Dresda hanno sviluppato un dispositivo semiconduttore in alluminio-gallio-arseniuro (AlGaAs). Il flusso di elettroni di questo dispositivo, solitamente suscettibile alle interferenze, è salvaguardato da un fenomeno quantistico topologico.
"Grazie all'effetto pelle topologico, tutte le correnti tra i diversi contatti del semiconduttore quantistico non sono influenzate da impurità o altre perturbazioni esterne. Ciò rende i dispositivi topologici sempre più attraenti per l'industria dei semiconduttori. Eliminano la necessità di livelli estremamente elevati di purezza dei materiali che attualmente fanno lievitare i costi di produzione elettronica", spiega il professor Jeroen van den Brink, direttore dell'Istituto di fisica teorica dello stato solido presso l'Istituto Leibniz per la ricerca sullo stato solido e sui materiali di Dresda (IFW) e ricercatore principale del ct .qmat.
I materiali quantistici topologici, noti per la loro eccezionale robustezza, sono ideali per applicazioni ad alta intensità energetica. "Il nostro semiconduttore quantistico è stabile e allo stesso tempo estremamente preciso:una combinazione rara. Ciò posiziona il nostro dispositivo topologico come una nuova entusiasmante opzione nell'ingegneria dei sensori."
L’utilizzo dell’effetto pelle topologico consente nuovi tipi di dispositivi quantistici elettronici ad alte prestazioni che potrebbero anche essere incredibilmente piccoli. "Il nostro dispositivo quantistico topologico misura circa 0,1 millimetri di diametro e può essere ulteriormente ridimensionato con facilità", afferma van den Brink.
L'aspetto pionieristico del lavoro del team di fisici di Dresda e Würzburg è che sono stati i primi a realizzare l'effetto pelle topologica su scala microscopica in un materiale semiconduttore. Questo fenomeno quantistico è stato inizialmente dimostrato a livello macroscopico tre anni fa, ma solo in un metamateriale artificiale, non naturale. Questa è quindi la prima volta che viene sviluppato un minuscolo dispositivo quantistico topologico basato su semiconduttori che è allo stesso tempo altamente robusto e ultrasensibile.
"Nel nostro dispositivo quantistico, il rapporto corrente-tensione è protetto dall'effetto pelle topologico perché gli elettroni sono confinati sul bordo. Anche in caso di impurità nel materiale semiconduttore, il flusso di corrente rimane stabile", spiega van den Brink.
"Inoltre, i contatti possono rilevare anche le più piccole fluttuazioni di corrente o tensione. Ciò rende il dispositivo quantistico topologico eccezionalmente adatto per realizzare sensori e amplificatori ad alta precisione con diametri minuscoli."
Il successo è stato ottenuto disponendo in modo creativo materiali e contatti su un dispositivo semiconduttore AlGaAs, inducendo l'effetto topologico in condizioni ultrafredde e un forte campo magnetico. "Abbiamo davvero ottenuto l'effetto pelle topologica dal dispositivo", spiega van den Brink.
Il team di fisici ha utilizzato una struttura semiconduttrice bidimensionale. I contatti sono stati disposti in modo tale che la resistenza elettrica potesse essere misurata sui bordi dei contatti, rivelando direttamente l'effetto topologico.
Dal 2019, ct.qmat studia i materiali quantistici topologici a Würzburg e Dresda, esplorando il loro comportamento straordinario in condizioni estreme come temperature ultra-basse, alte pressioni o forti campi magnetici.
La recente svolta è anche il risultato di una collaborazione continua tra gli scienziati nelle due sedi del cluster. Il nuovo dispositivo quantistico, concepito all'IFW, è stato uno sforzo congiunto che ha coinvolto fisici teorici dell'Universität Würzburg e ricercatori teorici e sperimentali di Dresda. Dopo essere stato prodotto in Francia, il dispositivo è stato testato a Dresda. Jeroen van den Brink e i suoi colleghi sono ora impegnati a esplorare ulteriormente questo fenomeno, con l'obiettivo di sfruttarlo per future innovazioni tecnologiche.
Ulteriori informazioni: Kyrylo Ochkan et al, Topologia non hermitiana in un dispositivo Hall quantistico multiterminale, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02337-4
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
Fornito da Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat
