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超导

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超导和量子霍尔效应共存在新型氮化物材料中

05 Apr 2021 IsabelleDumé.
菲利普博士生菲利普(左)和reet chaudhuri在国家高磁场实验室
国家高磁场实验室的团队成员,在这里进行了测量。信用:耶拿 - 兴实验室

大磁场通常是超导性的杀手,但是,美国的研究人员现在已经制造了一种同时超导的材料,并展示了量子霍尔效应 - 一种需要强磁场的现象。由纳米级氮化镓和氮化铌制成的新材料可用于“拓扑”量子计算并制造更节能的电子设备。

当沿着薄导电片的长度的电流产生时,发生量子霍尔效应在片材的相对表面上产生极其精确的电压。当垂直于纸张施加强磁场时,仅发生该电压,并且量化 - 即,它只能以离散步骤改变。另一个结果是,据说二维(2D)片材表面上的电子状态是“拓扑保护”。这种保护出现,因为这些“边缘”状态中的电子只能在一个方向上行进,并且它们还在材料中的缺陷或缺陷方向转向而不会反对散射。由于反向散射是电子设备中的主要能量消散过程,因此这种受保护状态可能是下一代节能设备中的有用组件。

另一个重要的好处是,具有一定动量的边缘电子不能分散到具有相反动量(或旋转)的状态以来以来,因此它必须重新旋转。因此,拓扑保护状态可能是量子计算应用的理想选择,其中缺陷通常会破坏在电子的自旋状态下携带的信息。

拓扑保护的超导电子状态

近年来,研究人员一直在尝试在超导体上创造异性结构 - 2D半导体 - 其中构成超导电流的电子的状态也是拓扑保护的。该超级电流来自具有相反旋转的电子,它们配对并且可以通过材料移动而不会在某个临界温度以下的任何电阻。然而,可以容纳这种超电流的材料是有限的,因为产生量子霍尔效应所需的磁场破坏了超导性 - 通过分解电子对或试图使两个电子旋转在相同方向上对齐。

修改生长过程

在新工作中,研究人员 康奈尔大学, 这 海军研究实验室, 和 Qorvo Inc. 从氮化铌(NBN)的半导体镓氮化镓(GaN)的纳米级层的工程化异质结构。这两种材料具有相似的晶体结构和化学性质和 以前的同一团队的工作表明,使用称为外延生长的技术可以制成分层异质结构.

这些材料通常用于发光二极管和晶体管的发光二极管和晶体管,如智能手机和家庭照明,并且团队部分选择它们是因为它们是强大的。然而,它们确实含有比硅等其他技术重要的材料更具结构缺陷。为了减少缺陷的数量,从而产生更高质量的异质结构,研究人员修改了他们之前研究中使用的生长过程。该修改还允许它们精确地将电子在NBN的GaN中的位置设计。

温度和磁场的狭窄“窗口”

使用电阻与施加的栅极电压在390 mk温度下的测量,研究人员表明,改进的NBN层中的超导能量可以存活施加的磁场高达17.8特斯拉。同时,改进的GaN半导体具有足够高的质量,在较低的施加磁场下表现出15t的较低施加的磁场效应。“这两种改进都是平均值,量子霍尔效应和超导性可以同时发生在某一的异质结构中窗口'的温度和磁场(即在1 k以下,磁场之间的15至17.8 t),“研究铅作者 Phillip Dang.物理世界.

根据该团队,新的GaN / NBN异质结构可用于量子计算和低温电子。报告他们的工作 科学推进,研究人员表示,他们现在计划进一步研究这种材料中超导性和量子霍尔效应之间的相互作用。

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