Les scientifiques de l'Université Cornell ont identifié un nouveau concurrent en matière de matériaux quantiques pour l'informatique et l'électronique à basse température.

En utilisant des matériaux à base de nitrure, les chercheurs ont créé une structure matérielle qui présente simultanément la supraconductivité - dans laquelle la résistance électrique disparaît complètement - et l'effet Hall quantique, qui produit une résistance avec une précision extrême lorsqu'un champ magnétique est appliqué.

"C'est un beau mariage des deux choses que nous savons, à l'échelle microscopique, qui donnent aux électrons les propriétés quantiques les plus surprenantes, " a déclaré Debdeep Jena, le professeur de génie David E. Burr à l'École de génie électrique et informatique et au Département de science et génie des matériaux. Jena a dirigé la recherche, publié le 19 février dans Avancées scientifiques , avec le doctorant Phillip Dang et l'associé de recherche Guru Khalsa, les auteurs principaux de l'article.

Les deux propriétés physiques sont rarement vues simultanément car le magnétisme est comme la kryptonite pour les matériaux supraconducteurs, selon Iéna.

"Les champs magnétiques détruisent la supraconductivité, mais l'effet Hall quantique n'apparaît que dans les semi-conducteurs à de grands champs magnétiques, il faut donc jouer avec ces deux extrêmes, ", a déclaré Jena. "Au cours des dernières années, les chercheurs ont essayé d'identifier des matériaux présentant les deux propriétés avec un succès mitigé."

La recherche est la dernière validation du laboratoire Jena-Xing que les matériaux de nitrure peuvent avoir plus à offrir à la science qu'on ne le pensait auparavant. Les nitrures sont traditionnellement utilisés pour la fabrication de LED et de transistors pour des produits tels que les smartphones et l'éclairage domestique, leur donnant une réputation de classe industrielle de matériaux qui a été négligée pour le calcul quantique et l'électronique cryogénique.

"Le matériau lui-même n'est pas aussi parfait que le silicium, ce qui signifie qu'il a beaucoup plus de défauts, " a déclaré la co-auteur Huili Grace Xing, le professeur William L. Quackenbush de génie électrique et informatique et de science et génie des matériaux. "Mais à cause de sa robustesse, ce matériau a plus d'une fois surpris agréablement la communauté des chercheurs malgré ses irrégularités de structure extrêmement importantes. Il existe peut-être une voie à suivre pour intégrer véritablement différentes modalités de l'informatique quantique :calcul, Mémoire, la communication."

Une telle intégration pourrait aider à condenser la taille des ordinateurs quantiques et d'autres appareils électroniques de nouvelle génération, tout comme les ordinateurs classiques sont passés d'un entrepôt à un format de poche.

"On se demande ce que ce genre de plateforme matérielle peut permettre car on voit qu'elle coche beaucoup de cases, " dit Iéna, qui a ajouté que de nouveaux phénomènes physiques et applications technologiques pourraient émerger avec de nouvelles recherches. "Il a un supraconducteur, un semi-conducteur, un matériau filtrant - il contient toutes sortes d'autres composants, mais nous ne les avons pas tous réunis. Nous venons de découvrir qu'ils peuvent coexister."

Pour cette recherche, l'équipe de Cornell a commencé à concevoir des hétérostructures de nitrure épitaxiale - des couches atomiquement minces de nitrure de gallium et de nitrure de niobium - et à rechercher des conditions dans lesquelles les champs magnétiques et les températures dans les couches conserveraient leurs propriétés respectives de Hall quantique et supraconductrices.

Ils ont finalement découvert une petite fenêtre dans laquelle les propriétés étaient observées simultanément, grâce aux progrès de la qualité des matériaux et des structures réalisés en étroite collaboration avec des collègues du Naval Research Laboratory.

"La qualité du supraconducteur niobium-nitrure a été suffisamment améliorée pour qu'il puisse survivre à des champs magnétiques plus élevés, et simultanément, nous avons dû améliorer suffisamment la qualité du semi-conducteur au nitrure de gallium pour qu'il puisse présenter l'effet Hall quantique à des champs magnétiques inférieurs, " a déclaré Dang. "Et c'est ce qui permettra vraiment de voir une nouvelle physique potentielle à basse température."

Les applications potentielles de la structure matérielle comprennent une électronique plus efficace, tels que les centres de données refroidis à des températures extrêmement basses pour éliminer les pertes de chaleur. Et la structure est la première à jeter les bases de l'utilisation de semi-conducteurs nitrurés et de supraconducteurs en informatique quantique topologique, dans lequel le mouvement des électrons doit être résilient aux défauts matériels typiquement observés dans les nitrures.

"Ce que nous avons montré, c'est que les ingrédients dont vous avez besoin pour faire cette phase topologique peuvent être dans la même structure, " Khalsa a dit, "et je pense que la flexibilité des nitrures ouvre vraiment de nouvelles possibilités et de nouvelles façons d'explorer les états topologiques de la matière."