Kisel har varit det valda halvledarmaterialet för elektronik ganska mycket sedan transistoreffekten först observerades och identifierades för nästan 80 år sedan. Det finns en dal i Kalifornien uppkallad efter det, trots allt.

Men en relativt ny familj av halvledare – grupp III-nitrider, inklusive galliumnitrid (GaN), indiumnitrid och aluminiumnitrid – erbjuder större mångsidighet än kisel med kapacitet för ultrasnabb trådlös kommunikation, högspänningsomkopplare och högintensiv belysning och fotonik.

Ett team ledd av Debdeep Jena, professor i elektro- och datateknik (ECE), och David Meyer, chef för sektionen Wide Bandgap Materials and Devices vid Naval Research Laboratory, har framgångsrikt utvecklat en halvledar-supraledare kristallstruktur med GaN odlad direkt på en kristall av niobiumnitrid (NbN), ett beprövat supraledarematerial som används i kvantkommunikation, astronomi och en mängd andra tillämpningar.

Gruppens tidning, "GaN/NbN epitaxiella halvledare/supraledare heterostrukturer, " publiceras online den 8 mars i Natur . Den tidigare postdoktorn Rusen Yan och nuvarande postdoc Guru Khalsa är medförfattare.

Andra viktiga bidragsgivare var Grace Xing, Richard Lundquist Sesquicentennial Professor i ECE och MSE, och David Muller, Samuel B. Eckert professor i teknik vid institutionen för tillämpad och teknisk fysik.

Metoden för att kombinera de två materialen - molekylär strålepitaxi (MBE), Spraymålning av gallium- och kväveatomer på NbN i en vakuummiljö – skapar ett extremt rent gränssnitt och är nyckeln till framgången för den nya strukturen.

Detta förskott, gruppen säger, öppnar upp en rad möjligheter som nu kan kombinera de makroskopiska kvanteffekterna av supraledare med de rika elektroniska och fotoniska egenskaperna hos grupp III-nitridhalvledare.

"Folk har provat det med andra halvledare, som kisel och galliumarsenid, men jag tror inte att något har varit så framgångsrikt som det vi har lyckats göra med GaN, sa Jena, som har en dubbel anställning med Institutionen för materialvetenskap och teknik (MSE).

Galliumnitrid-baserade halvledare har nyligen gjort stora framsteg inom områdena LED-belysning, Blu-ray laserdioder, energi och kommunikation. Faktiskt, 2014 års Nobelpris i fysik tilldelades en trio japanska forskare för deras uppfinning av energieffektiva blå lysdioder (LED) med hjälp av GaN.

Tekniska framsteg – särskilt den typ av MBE som används i detta arbete, som utvecklades vid Naval Research Laboratory – har gjort det möjligt för forskare att tänka på halvledar-supraledare-heterostrukturer som den Jenas grupp har utvecklat.

Det specialiserade nitrid MBE-systemet inkluderar en elektronstråleförångare, som "smälter" nioben – som har en smältpunkt på cirka 4, 500 grader – men inte degeln den är i. Niobatomer avsätts på en kiselkarbidskiva, och GaN-halvledarskikten odlas sedan ovanpå det, även av MBE.

"Denna nya källa gjorde det möjligt för oss att övervinna temperaturbegränsningarna hos konventionella källor, och ta med hög smältpunkt, eldfasta övergångsmetaller som niob och tantal in i bilden, sa Meyer.

Teamet demonstrerade för första gången tillväxten och tillverkningen av en halvledartransistoromkopplare, det prototypiska förstärkningselementet inom elektronik, direkt ovanpå ett kristallint supraledande skikt. Denna heterostruktur är ett slags "bästa av två världar, " sa Jena, erbjuder en metod för att utforma kvantberäkningar och mycket säkra kommunikationssystem.

"Det finns några saker som vi skulle älska att göra med kvantsystem - kvantberäkning och kryptografi, saker som inte är möjliga i klassiska system, sade han. Å andra sidan, det finns saker som klassiska system är mycket bättre på än kvantsystem. Och det finns det här mesozonen där du kan göra underbara saker genom att blanda och matcha de två."

"Vi tror att detta utgör en underbar möjlighet för snabb teknisk utveckling av nästa generations kommunikations- och beräkningssystem, sa Meyer.