Os cientistas da Cornell University identificaram um novo candidato quando se trata de materiais quânticos para computação e eletrônica de baixa temperatura.

Usando materiais à base de nitreto, os pesquisadores criaram uma estrutura material que exibe simultaneamente supercondutividade - na qual a resistência elétrica desaparece completamente - e o efeito Hall quântico, que produz resistência com extrema precisão quando um campo magnético é aplicado.

"Este é um lindo casamento das duas coisas que sabemos, na microescala, que dão aos elétrons as propriedades quânticas mais surpreendentes, "disse Debdeep Jena, o David E. Burr Professor de Engenharia na Escola de Engenharia Elétrica e de Computação e no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. Jena liderou a pesquisa, publicado em 19 de fevereiro em Avanços da Ciência , com o doutorando Phillip Dang e o pesquisador associado Guru Khalsa, os autores seniores do artigo.

As duas propriedades físicas raramente são vistas simultaneamente porque o magnetismo é como a criptonita para materiais supercondutores, de acordo com Jena.

"Os campos magnéticos destroem a supercondutividade, mas o efeito Hall quântico só aparece em semicondutores em grandes campos magnéticos, então você tem que brincar com esses dois extremos, "Jena disse." Pesquisadores nos últimos anos têm tentado identificar materiais que apresentem ambas as propriedades com sucesso misto. "

A pesquisa é a validação mais recente do Laboratório Jena-Xing de que os materiais de nitreto podem ter mais a oferecer à ciência do que se pensava anteriormente. Os nitretos têm sido tradicionalmente usados ​​para fabricar LEDs e transistores para produtos como smartphones e iluminação doméstica, dando-lhes uma reputação como uma classe industrial de materiais que tem sido negligenciada para computação quântica e eletrônica criogênica.

"O material em si não é tão perfeito quanto o silício, o que significa que tem muito mais defeitos, "disse o co-autor Huili Grace Xing, o William L. Quackenbush Professor de Engenharia Elétrica e de Computação e de Ciência e Engenharia de Materiais. "Mas por causa de sua robustez, este material trouxe surpresas agradáveis ​​para a comunidade de pesquisa mais de uma vez, apesar de suas irregularidades extremamente grandes na estrutura. Pode haver um caminho a seguir para integrarmos verdadeiramente diferentes modalidades de computação quântica - computação, memória, comunicação."

Essa integração pode ajudar a condensar o tamanho dos computadores quânticos e outros eletrônicos de última geração, assim como os computadores clássicos diminuíram do tamanho do armazém para o tamanho de bolso.

"Estamos nos perguntando o que esse tipo de plataforma de material pode permitir, porque vemos que ele está marcando várias caixas, "disse Jena, que acrescentou que novos fenômenos físicos e aplicações tecnológicas poderiam surgir com pesquisas futuras. “Tem um supercondutor, um semicondutor, um material de filtro - ele tem todos os tipos de outros componentes, mas não os colocamos todos juntos. Acabamos de descobrir que eles podem coexistir. "

Para esta pesquisa, a equipe de Cornell começou a projetar heteroestruturas de nitreto epitaxial - camadas atomicamente finas de nitreto de gálio e nitreto de nióbio - e a pesquisar condições nas quais os campos magnéticos e as temperaturas nas camadas reteriam suas respectivas propriedades quânticas Hall e supercondutoras.

Eles finalmente descobriram uma pequena janela na qual as propriedades foram observadas simultaneamente, graças aos avanços na qualidade dos materiais e estruturas produzidas em estreita colaboração com colegas do Laboratório de Pesquisa Naval.

"A qualidade do supercondutor de nitreto de nióbio foi melhorada o suficiente para poder sobreviver a campos magnéticos mais elevados, e, simultaneamente, tivemos que melhorar a qualidade do semicondutor de nitreto de gálio o suficiente para que pudesse exibir o efeito Hall quântico em campos magnéticos mais baixos, "Dang disse." E isso é o que realmente permitirá que novos físicos potenciais sejam vistos em baixa temperatura. "

As aplicações potenciais para a estrutura do material incluem eletrônicos mais eficientes, como data centers resfriados a temperaturas extremamente baixas para eliminar o desperdício de calor. E a estrutura é a primeira a estabelecer as bases para o uso de semicondutores e supercondutores de nitreto na computação quântica topológica, em que o movimento dos elétrons deve ser resiliente aos defeitos do material tipicamente vistos nos nitretos.

"O que mostramos é que os ingredientes de que você precisa para fazer essa fase topológica podem estar na mesma estrutura, "Khalsa disse, "e eu acho que a flexibilidade dos nitretos realmente abre novas possibilidades e maneiras de explorar estados topológicos da matéria."