Forskare från Cornell University har identifierat en ny utmanare när det gäller kvantmaterial för datorer och lågtemperaturelektronik.

Använda nitridbaserade material, forskarna skapade en materialstruktur som samtidigt uppvisar supraledning – där det elektriska motståndet försvinner helt – och kvanthalleffekten, som ger motstånd med extrem precision när ett magnetfält appliceras.

"Detta är ett vackert äktenskap av de två saker vi vet, i mikroskala, som ger elektronerna de mest häpnadsväckande kvantegenskaperna, sa Debdeep Jena, David E. Burr professor i teknik vid skolan för elektro- och datateknik och institutionen för materialvetenskap och teknik. Jena ledde forskningen, publicerad 19 februari in Vetenskapliga framsteg , med doktoranden Phillip Dang och forskarassistent Guru Khalsa, tidningens seniora författare.

De två fysikaliska egenskaperna ses sällan samtidigt eftersom magnetism är som kryptonit för supraledande material, enligt Jena.

"Magnetiska fält förstör supraledning, men kvanthalleffekten dyker bara upp i halvledare vid stora magnetfält, så du måste leka med dessa två ytterligheter, "Sa Jena. "Forskare under de senaste åren har försökt identifiera material som visar båda egenskaperna med blandad framgång."

Forskningen är den senaste valideringen från Jena-Xing Lab att nitridmaterial kan ha mer att erbjuda vetenskapen än vad man tidigare trott. Nitrider har traditionellt använts för tillverkning av lysdioder och transistorer för produkter som smartphones och hembelysning, ger dem ett rykte som en industriell klass av material som har förbisetts för kvantberäkningar och kryogen elektronik.

"Materialet i sig är inte lika perfekt som kisel, vilket betyder att den har många fler defekter, " sa medförfattaren Huili Grace Xing, William L. Quackenbush professor i elektro- och datateknik och i materialvetenskap och teknik. "Men på grund av dess robusthet, Detta material har överraskat forskarvärlden mer än en gång trots dess extremt stora oegentligheter i strukturen. Det kan finnas en väg framåt för oss att verkligen integrera olika metoder för kvantberäkning – beräkning, minne, kommunikation."

Sådan integration kan hjälpa till att kondensera storleken på kvantdatorer och annan nästa generations elektronik, precis som klassiska datorer har krympt från lager till fickstorlek.

"Vi undrar vad den här typen av materialplattform kan möjliggöra eftersom vi ser att den markerar många rutor, sa Jena, som tillade att nya fysiska fenomen och tekniska tillämpningar skulle kunna dyka upp med ytterligare forskning. "Den har en supraledare, en halvledare, ett filtermaterial – det har alla möjliga andra komponenter, men vi har inte satt ihop dem alla. Vi har precis upptäckt att de kan samexistera."

För denna forskning, Cornell-teamet började konstruera epitaxiella nitridheterostrukturer – atomärt tunna lager av galliumnitrid och niobiumnitrid – och letade efter förhållanden där magnetfält och temperaturer i lagren skulle behålla sina respektive kvanthall- och supraledande egenskaper.

De upptäckte så småningom ett litet fönster där egenskaperna observerades samtidigt, tack vare framsteg i kvaliteten på de material och strukturer som producerats i nära samarbete med kollegor vid Sjöforskningslaboratoriet.

"Kvaliteten på niob-nitrid-supraledaren förbättrades tillräckligt för att den kan överleva högre magnetfält, och samtidigt var vi tvungna att förbättra kvaliteten på galliumnitrid-halvledaren tillräckligt mycket för att den kunde uppvisa kvant-Hall-effekten vid lägre magnetfält, "Dang sa. "Och det är vad som verkligen kommer att möjliggöra för potentiell ny fysik att ses vid låg temperatur."

Potentiella tillämpningar för materialstrukturen inkluderar effektivare elektronik, såsom datacenter som kyls till extremt låga temperaturer för att eliminera värmeavfall. Och strukturen är den första som lägger grunden för användningen av nitridhalvledare och supraledare i topologisk kvantberäkning, där elektronernas rörelse måste vara motståndskraftig mot materialdefekter som vanligtvis ses i nitrider.

"Vad vi har visat är att ingredienserna du behöver för att göra denna topologiska fas kan vara i samma struktur, "Khalsa sa, "och jag tror att nitridernas flexibilitet verkligen öppnar för nya möjligheter och sätt att utforska materiens topologiska tillstånd."