O silício tem sido o material semicondutor preferido para a eletrônica desde que o efeito transistor foi observado e identificado pela primeira vez há quase 80 anos. Há um vale na Califórnia com o nome dele, Afinal.

Mas uma família relativamente nova de semicondutores - nitretos do grupo III, incluindo nitreto de gálio (GaN), nitreto de índio e nitreto de alumínio - oferece maior versatilidade do que o silício, com recursos para comunicações sem fio ultrarrápidas, interruptores de alta tensão e iluminação e fotônica de alta intensidade.

Uma equipe liderada por Debdeep Jena, professor de engenharia elétrica e da computação (ECE), e David Meyer, chefe da seção Wide Bandgap Materials and Devices do Naval Research Laboratory, desenvolveu com sucesso uma estrutura de cristal semicondutor-supercondutor apresentando GaN cultivado diretamente em um cristal de nitreto de nióbio (NbN), um material supercondutor comprovado usado em comunicações quânticas, astronomia e uma série de outras aplicações.

O jornal do grupo, "GaN / NbN Epitaxial Semiconductor / Superconductor Heteroestruturas, "está sendo publicado online em 8 de março em Natureza . O ex-pesquisador de pós-doutorado Rusen Yan e o atual pós-doutorado Guru Khalsa são co-autores principais.

Outros contribuidores importantes foram Grace Xing, o professor do sesquicentenário Richard Lundquist em ECE e MSE, e David Muller, o Samuel B. Eckert Professor de Engenharia no Departamento de Física Aplicada e Engenharia.

O método para combinar os dois materiais - epitaxia de feixe molecular (MBE), essencialmente pintura em spray de átomos de gálio e nitrogênio no NbN em um ambiente de vácuo - cria uma interface extremamente limpa e é a chave para o sucesso da nova estrutura.

Este avanço, o grupo diz, abre uma gama de possibilidades que agora podem combinar os efeitos quânticos macroscópicos dos supercondutores com as ricas propriedades eletrônicas e fotônicas dos semicondutores de nitreto do grupo III.

"As pessoas tentaram com outros semicondutores, como silício e arseneto de gálio, mas não acho que nada tenha sido tão bem sucedido quanto o que conseguimos fazer com GaN, "disse Jena, que tem um compromisso duplo com o Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (MSE).

Semicondutores à base de nitreto de gálio recentemente fizeram grandes incursões nas áreas de iluminação LED, Diodos de laser Blu-ray, energia e comunicações. Na verdade, o Prêmio Nobel de Física de 2014 foi dado a um trio de cientistas japoneses por sua invenção de diodos emissores de luz azul (LEDs) com eficiência energética usando GaN.

Avanços tecnológicos - particularmente o tipo de MBE usado neste trabalho, que foi desenvolvido no Laboratório de Pesquisa Naval - tornou possível aos cientistas pensarem em heteroestruturas semicondutor-supercondutoras como a que o grupo de Jena desenvolveu.

O sistema MBE de nitreto especializado inclui uma fonte de evaporador de feixe de elétrons, que "derrete" o nióbio - que tem um ponto de fusão de cerca de 4, 500 graus - mas não o cadinho em que está. Os átomos de nióbio são depositados em uma placa de carboneto de silício, e as camadas semicondutoras de GaN são, então, crescidas em cima disso, também por MBE.

“Esta nova fonte nos permitiu superar as limitações de temperatura das fontes convencionais, e trazer alto ponto de fusão, metais de transição refratários como nióbio e tântalo na imagem, "Meyer disse.

A equipe demonstrou pela primeira vez o crescimento e a fabricação de uma chave de transistor semicondutor, o elemento de ganho prototípico em eletrônica, diretamente sobre uma camada supercondutora cristalina. Esta heteroestrutura é uma espécie de "melhor dos dois mundos, "Jena disse, oferecendo um método para conceber computação quântica e sistemas de comunicação altamente seguros.

"Existem algumas coisas que adoraríamos fazer com os sistemas quânticos - computação quântica e criptografia, coisas que não são possíveis em sistemas clássicos, "disse ele." Por outro lado, existem coisas em que os sistemas clássicos são muito melhores do que os sistemas quânticos. E há essa mesozona onde você pode fazer coisas maravilhosas misturando e combinando os dois. "

"Acreditamos que isso representa uma oportunidade maravilhosa para o rápido desenvolvimento de tecnologia de comunicações de próxima geração e sistemas de computação, "Meyer disse.