Les semi-conducteurs atteignent le monde quantique

Notre infrastructure électronique actuelle est principalement basée sur des semi-conducteurs. Cette catégorie de matériaux est apparue vers le milieu du 20e siècle et n'a cessé d'être améliorée depuis. Parmi les principaux défis actuels de l'électronique à semi-conducteurs figurent les améliorations qui permettraient d'augmenter la bande passante de la transmission de données, l'efficacité énergétique et la sécurité de l'information. L'intégration des effets quantiques permettra probablement de réaliser une percée dans ce domaine.

Les effets quantiques qui peuvent se produire dans les matériaux supraconducteurs sont particulièrement envisageables. Les supraconducteurs sont des substances dans lesquelles la résistance électrique disparaît dès qu'elles sont refroidies à une certaine température. Les premiers ordinateurs quantiques ont déjà montré qu'il était possible d'exploiter les effets quantiques dans les supraconducteurs.

Afin de trouver des successeurs possibles à l'électronique à semi-conducteurs actuelle, certains chercheurs - dont un groupe de l'Université Cornell - étudient ce que l'on appelle des hétérostructures, c'est-à-dire des structures composées de deux types de matériaux différents. Plus précisément, ils s'intéressent à des systèmes de couches composés de matériaux supraconducteurs et semi-conducteurs. "On sait depuis longtemps qu'il faut pour cela choisir des matériaux ayant des structures cristallines très similaires, afin d'éviter que des tensions ne se produisent dans le réseau cristallin à la surface de contact", explique John Wright, qui a fabriqué les hétérostructures pour la nouvelle étude à l'Université Cornell.

Le nitrure de niobium (NbN), un supraconducteur, et le nitrure de gallium (GaN), un semi-conducteur, sont deux matériaux qui conviennent à cet égard. Ce dernier joue déjà un rôle important dans l'électronique des semi-conducteurs et a donc déjà fait l'objet de nombreuses recherches. Mais jusqu'à présent, on ne savait pas exactement comment se comportaient les électrons à la surface de contact de ces deux matériaux - et si, éventuellement, les électrons du semi-conducteur perturbaient la supraconductivité et annulaient ainsi les effets quantiques.

"Lorsque j'ai découvert les recherches du groupe de Cornell, j'ai su qu'ici, au PSI, nous pouvions trouver la réponse à cette question fondamentale grâce à nos méthodes spectroscopiques sur la ligne de faisceau ADRESS", explique Vladimir Strocov, chercheur à la Source de Lumière Synchrotron Suisse SLS du PSI.

C'est ainsi que les deux groupes ont commencé à collaborer. Dans leurs expériences, ils ont finalement découvert que les électrons restent "pour eux-mêmes" dans les deux matériaux. Il n'y a pas d'interactions indésirables qui pourraient entraver les effets quantiques.

La lumière synchrotron révèle les structures électroniques

Les chercheurs du PSI ont utilisé une méthode établie sur la ligne de faisceau ADRESS de la SLS : la spectroscopie de photoélectrons à résolution angulaire par rayons X mous - en anglais, SX-ARPES en abrégé. "Cette méthode nous permet de visualiser le mouvement collectif des électrons dans le matériau", explique Tianlun Yu, post-doctorant dans l'équipe de Vladimir Strocov, qui a effectué les mesures sur l'hétérostructure NbN/GaN. Avec Wright, Yu est le premier auteur de la nouvelle publication.

La méthode SX-ARPES fournit une sorte de carte dont les coordonnées spatiales indiquent dans une direction l'énergie des électrons et dans l'autre direction quelque chose comme leur vitesse ; plus précisément leur impulsion. "Dans cette représentation, les états électroniques apparaissent comme des bandes claires sur la carte", explique Yu. Le résultat décisif de la recherche : à la limite du matériau entre le nitrure de niobium NbN et le nitrure de gallium GaN, les "bandes" respectives sont clairement séparées les unes des autres. C'est ce que les chercheurs ont pu constater : Les électrons restent dans leur matériau d'origine et n'interagissent pas non plus avec les électrons du matériau voisin.

"La conclusion la plus importante pour nous est que la supraconductivité dans le nitrure de niobium n'est pas perturbée, même si celui-ci est placé de manière appropriée, atome par atome, sur une couche de nitrure de gallium", explique Vladimir Strocov. "Nous avons ainsi pu fournir une nouvelle pièce du puzzle qui confirme : Ce système de couches pourrait effectivement donner naissance à une nouvelle forme d'électronique à semi-conducteurs qui intègre et exploite les effets quantiques dans les supraconducteurs".

Publication originale : Momentum-resolved electronic structure and band offsets in an epitaxial NbN/GaN superconductor/semiconductor heterojunction ; T. Yu, J. Wright, G. Khalsa, B. Pamuk, C. S. Chang, Y. Matveyev, X. Wang, T. Schmitt, D. Feng, D. A. Muller, H. G. Xing, D. Jena, V. N. Strocov ; Science Advances, 22 décembre 2021 (online) DOI : 10.1126/sciadv.abi5833