Il mondo quantistico alla mercé di un’inedita eterogiunzione

Nitruro di niobio e di gallio insieme: dai ricercatori del PSI e della Cornell, il materiale composito che darà brio ai componenti elettronici

Reali effetti quantistici nei superconduttori potrebbero dare una nuova svolta alla tecnologia di questi specialissimi materiali.
I ricercatori del Paul Scherrer Institute, in Svizzera, e della Cornell University, nello Stato americano di New York, hanno infatti identificato un materiale composito che potrebbe integrare i dispositivi quantistici nella tecnologia dei semiconduttori, rendendo i componenti elettronici significativamente più potenti.
Essi hanno pubblicano i loro risultati su un’inedita eterogiunzione nella rivista “Science Advances”, suscitando notevole ammirazione nel mondo.

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Superconduttività a basse temperature e per certi campi magnetici

In fisica la superconduttività è un fenomeno fisico che comporta resistenza elettrica nulla ed espulsione del campo magnetico. Essa avviene in alcuni materiali al di sotto di una caratteristica temperatura detta “critica” e, semplificando al massimo, al di sotto di un caratteristico valore critico del campo magnetico.
Come il ferromagnetismo e le linee spettrali atomiche, questo fenomeno non è spiegabile mediante la fisica classica, ma è necessario basarla sulla più complessa meccanica quantistica.
La nostra attuale infrastruttura elettronica è basata principalmente sui semiconduttori. Questa classe di materiali è emersa intorno alla metà del 20esimo secolo e da allora ha continuato a migliorare.
Attualmente, le sfide più importanti nell’elettronica dei semiconduttori includono ulteriori miglioramenti che aumenterebbero la larghezza di banda della trasmissione dei dati, l’efficienza energetica e la sicurezza delle informazioni.
Lo sfruttamento degli effetti quantistici sarà probabilmente una svolta per l’intero universo delle nuove tecnologie.
Gli effetti quantistici che possono verificarsi nei materiali superconduttori sono particolarmente degni di considerazione. Come già accennato, sono materiali in cui la resistenza elettrica scompare quando vengono raffreddati oltre una certa temperatura.
Il fatto che gli effetti quantistici nei superconduttori possano essere utilizzati è già stato dimostrato nei primi computer quantici.

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Il futuro? Le “eterogiunzioni” fra superconduttori e semiconduttori

Per trovare possibili successori per l’elettronica a semiconduttore di oggi, alcuni ricercatori, tra cui un gruppo dedicato della Cornell University, stanno studiando le cosiddette “heterojunctions”, cioè strutture fatte di due diversi tipi di materiali.
Più specificamente, stanno guardando sistemi stratificati di materiali superconduttori e semiconduttori.
La eterogiunzione è una giunzione tra materiali aventi gap energetici diversi: essa presenta, inoltre, differenti barriere di potenziale per gli elettroni e per le lacune, al contrario delle omogiunzioni. Il diagramma a bande di una eterogiunzione è ottenibile rispettando i seguenti vincoli: allineamento dei livelli di Fermi; costanza dell’affinità elettronica; continuità dei livelli energetici di elettrone libero.
“È noto da tempo che bisogna selezionare materiali con strutture cristalline molto simili per questo obiettivo, in modo che non ci sia tensione nel reticolo cristallino sulla superficie di contatto”, spiega John Wright, che ha prodotto le eterogiunzioni per il nuovo studio dell’ateneo newyorchese.

Semiconductors reach the quantum world: Quantum effects in superconductors could give semiconductor technology a new twist. Researchers at the Paul Scherrer Institute PSI and Cornell University in New York State have identified a… https://t.co/ZBTuXwmjrn #swissforextrading

— swissforextrading (@swissforextradi) December 22, 2021

Due materiali adatti in questo senso sono il nitruro di niobio superconduttore (NbN) e il nitruro di gallio semiconduttore (GaN). Quest’ultimo gioca già un ruolo importante nell’elettronica dei semiconduttori ed è quindi ben studiato.
Fino ad ora, tuttavia, non era chiaro esattamente come si comportano gli elettroni all’interfaccia di contatto di questi due materiali, e se è possibile che gli elettroni del semiconduttore interferiscano con la superconduttività e quindi cancellino gli effetti quantici.
“Quando mi sono imbattuto nella ricerca del gruppo della Cornell, ho capito che qui al PSI possiamo trovare la risposta a questa domanda fondamentale con i nostri metodi spettroscopici alla beamline ADRESS”, spiega Vladimir Strocov, ricercatore alla Synchrotron Light Source SLS presso l’Istituto Paul Scherrer.
È così che i due gruppi sono arrivati a collaborare. Nei loro esperimenti, alla fine hanno scoperto che gli elettroni in entrambi i materiali “si tengono per sé”. Non ha luogo alcuna interazione indesiderata che potrebbe potenzialmente rovinare gli effetti quantici.

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I ricercatori del Paul Scherrer Institut hanno usato un metodo ben collaudato alla beamline ADRESS dell’SLS: la spettroscopia fotoelettronica angolare con raggi X morbidi, detta anche SX-ARPES in breve.
“Con questo metodo, possiamo visualizzare il movimento collettivo degli elettroni nel materiale”, spiega Tianlun Yu, un ricercatore post-dottorato nel team di Vladimir Strocov, che ha effettuato le misure sull’eterostruttura NbN/GaN. Insieme a Wright, Yu è il primo autore della nuova pubblicazione.
Il metodo SX-ARPES fornisce una sorta di mappa le cui coordinate spaziali mostrano l’energia degli elettroni in una direzione e qualcosa come la loro velocità nell’altra; più precisamente, il loro momento.

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Stati elettronici separati, come bande luminose, fra NbN e GaN…

“In questa rappresentazione, gli stati elettronici appaiono come bande luminose nella mappa”, spiega Tianlu Yu. Il risultato cruciale della ricerca è questo: al confine del materiale, tra il nitruro di niobio NbN e il nitruro di gallio GaN, le rispettive “bande” sono chiaramente separate le une dalle altre.
Questo dice ai ricercatori del team yankee-elvetico che gli elettroni rimangono nel loro materiale originale e non interagiscono con gli elettroni del materiale vicino.
“La conclusione più importante per noi è che la superconduttività nel nitruro di niobio rimane indisturbata, anche se tale materiale viene messo atomo per atomo in abbinamento con uno strato di nitruro di gallio”, dice Vladimir Strocov.
“Con questo accorgimento, siamo stati in grado di fornire un altro pezzo del puzzle quantistico, che conferma un fattore importante: questo sistema di strati potrebbe effettivamente prestarsi a una ‘nuova forma di elettronica’ a semiconduttore che incorpora e sfrutta gli effetti quantistici che avvengono nei materiali ad alta conduttività”.

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