Los científicos de la Universidad de Cornell han identificado un nuevo competidor cuando se trata de materiales cuánticos para la computación y la electrónica de baja temperatura.

Usando materiales a base de nitruro, los investigadores crearon una estructura material que exhibe simultáneamente superconductividad, en la que la resistencia eléctrica desaparece por completo, y el efecto Hall cuántico, que produce resistencia con extrema precisión cuando se aplica un campo magnético.

"Este es un hermoso matrimonio de las dos cosas que sabemos, a microescala, que dan a los electrones las propiedades cuánticas más sorprendentes, "dijo Debdeep Jena, el Profesor David E. Burr de Ingeniería en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática y en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. Jena dirigió la investigación, publicado el 19 de febrero en Avances de la ciencia , con el estudiante de doctorado Phillip Dang y el investigador asociado Guru Khalsa, los autores principales del artículo.

Las dos propiedades físicas rara vez se ven simultáneamente porque el magnetismo es como la kriptonita para los materiales superconductores. según Jena.

"Los campos magnéticos destruyen la superconductividad, pero el efecto Hall cuántico solo se muestra en semiconductores en grandes campos magnéticos, entonces tienes que jugar con estos dos extremos, ", Dijo Jena." Los investigadores en los últimos años han estado tratando de identificar materiales que muestren ambas propiedades con éxito mixto ".

La investigación es la última validación del Laboratorio Jena-Xing de que los materiales de nitruro pueden tener más que ofrecer a la ciencia de lo que se pensaba. Los nitruros se han utilizado tradicionalmente para fabricar LED y transistores para productos como teléfonos inteligentes e iluminación para el hogar. dándoles una reputación como una clase industrial de materiales que se ha pasado por alto para la computación cuántica y la electrónica criogénica.

"El material en sí no es tan perfecto como el silicio, lo que significa que tiene muchos más defectos, "dijo el coautor Huili Grace Xing, el Profesor William L. Quackenbush de Ingeniería Eléctrica e Informática y de Ciencia e Ingeniería de Materiales. "Pero debido a su robustez, este material ha arrojado agradables sorpresas a la comunidad de investigadores más de una vez a pesar de sus extremadamente grandes irregularidades en la estructura. Puede haber un camino a seguir para que integremos verdaderamente diferentes modalidades de computación cuántica:computación, memoria, comunicación."

Dicha integración podría ayudar a condensar el tamaño de las computadoras cuánticas y otros dispositivos electrónicos de próxima generación, al igual que las computadoras clásicas se han reducido del tamaño del almacén al tamaño de bolsillo.

"Nos preguntamos qué puede permitir este tipo de plataforma de materiales porque vemos que está marcando muchas casillas, "dijo Jena, quien agregó que nuevos fenómenos físicos y aplicaciones tecnológicas podrían surgir con más investigaciones. "Tiene un superconductor, un semiconductor, un material de filtro:tiene todo tipo de otros componentes, pero no los hemos juntado todos. Acabamos de descubrir que pueden coexistir ".

Para esta investigación, El equipo de Cornell comenzó a diseñar heteroestructuras de nitruro epitaxial (capas atómicamente delgadas de nitruro de galio y nitruro de niobio) y a buscar condiciones en las que los campos magnéticos y las temperaturas en las capas retendrían sus respectivas propiedades de Hall cuántico y superconductoras.

Finalmente descubrieron una pequeña ventana en la que se observaron las propiedades simultáneamente, gracias a los avances en la calidad de los materiales y estructuras producidos en estrecha colaboración con colegas del Laboratorio de Investigación Naval.

"La calidad del superconductor de nitruro de niobio mejoró lo suficiente como para que pueda sobrevivir a campos magnéticos más altos, y simultáneamente tuvimos que mejorar la calidad del semiconductor de nitruro de galio lo suficiente como para que pudiera exhibir el efecto Hall cuántico en campos magnéticos más bajos, "Y eso es lo que realmente permitirá que se vea nueva física potencial a baja temperatura", dijo Dang.

Las aplicaciones potenciales para la estructura del material incluyen electrónica más eficiente, como los centros de datos enfriados a temperaturas extremadamente bajas para eliminar el desperdicio de calor. Y la estructura es la primera en sentar las bases para el uso de semiconductores y superconductores de nitruro en la computación cuántica topológica. en el que el movimiento de los electrones debe ser resistente a los defectos materiales que se ven típicamente en los nitruros.

"Lo que hemos demostrado es que los ingredientes que necesita para hacer esta fase topológica pueden estar en la misma estructura, "Khalsa dijo, "y creo que la flexibilidad de los nitruros realmente abre nuevas posibilidades y formas de explorar los estados topológicos de la materia".