康奈尔大学的科学家们已经确定了用于计算和低温电子学的量子材料的新竞争者。
研究人员使用氮化物基材料创建了一种材料结构，该结构同时具有超导性（电阻完全消失）和量子霍尔效应，当施加磁场时，量子霍尔效应可以产生极其精确的电阻。
“这是我们所知道的两件事的完美结合，在微观尺度上，这使电子具有最令人吃惊的量子特性，”电气与计算机工程学院和电子学系的David E. Burr工程学教授Debdeep Jena说中国机械网okmao.com。材料科学与工程。
耶拿（Jena）领导了这项研究，该研究于2月19日在《科学进展》上发表，博士生菲利普·当当（Phillip Dang）和该论文的资深作者古鲁·哈尔萨（Guru Khalsa）研究助理。
耶娜说，这两种物理性质很少同时出现，因为磁性就像k石一样适用于超导材料。
耶娜说：“磁场破坏了超导性，但量子霍尔效应仅在大磁场下才会出现在半导体中，因此，您必须应对这两种极端情况。” “过去几年中，研究人员一直在尝试寻找能够同时显示出两种特性的材料，但取得了不同的成功。”
这项研究是耶拿-兴实验室的最新验证，即氮化物材料可能提供比以前想象的更多的科学。氮化物传统上一直用于制造智能手机和家庭照明等产品的LED和晶体管，从而使它们享有工业级材料的声誉，在量子计算和低温电子学领域已被忽略。
论文的共同作者，电气与计算机工程和材料科学与工程学的William L. Quackenbush教授合力（Huili Grace Xing）说：“这种材料本身不如硅那么完美，这意味着它还有很多缺陷。”
“但由于其坚固性，尽管其结构上存在极大的不规则性，但这种材料还是多次向研究界带来了令人惊喜的惊喜。对于我们来说，真正整合量子计算的不同方式（计算，内存，沟通。”
就像传统计算机已经从仓库缩小到袖珍大小一样，这种集成可以帮助压缩量子计算机和其他下一代电子产品的大小。
耶娜说：“我们想知道这种材料平台能实现什么功能，因为我们看到它正在检查很多盒子。”
他补充说，随着进一步的研究，新的物理现象和技术应用可能会出现。“它具有超导体，半导体，过滤材料-它具有各种各样的其他组件，但是我们还没有将它们放在一起。我们只是发现它们可以共存。”
为了进行这项研究，康奈尔团队开始设计外延氮化物异质结构-氮化镓和氮化铌的原子薄层-并寻找条件，在这些条件下，层中的磁场和温度将保留各自的量子霍尔和超导特性。
他们最终发现了一个小窗口，可以同时观察其性能，这要归功于与海军研究实验室的同事密切合作所生产的材料和结构的质量不断提高。
“铌的氮化物超导体的质量得到了足够的改进，使其可以在更高的磁场中生存，同时我们还必须充分提高氮化镓半导体的质量，以使其在较低的磁场中表现出量子霍尔效应。”说。“这才是真正允许在低温下看到潜在新物理的原因。”
材料结构的潜在应用包括更高效的电子设备，例如冷却至极低温度以消除热量浪费的数据中心。
这种结构是第一个为在拓扑量子计算中使用氮化物半导体和超导体奠定基础的结构，在这种结构中，电子的运动必须对氮化物中常见的材料缺陷具有弹性。
卡尔萨说：“我们已经表明，构成该拓扑相所需的成分可以处于相同的结构中，而且我认为氮化物的柔韧性确实为探索物质的拓扑状态开辟了新的可能性和方式。 。”