Süper iletkenlerdeki kuantum etkileri, yarı iletken teknolojisinde yeni ve beklenmedik bir değişiklik oluşturabilir. New York Paul Scherrer Enstitüsü PSI ve Cornell Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, kuantum cihazlarını yarı iletken teknolojisine entegre edebilecek ve elektronik bileşenleri önemli ölçüde daha güçlü hale getirebilecek bir kompozit malzeme belirlediler. Bulgularını Science Advances dergisinde yayınlıyorlar. Yayınlanma tarihi 23 Aralık 2021 tarihidir. Şunu ifade etmemizde bir sakınca olmadığını da söyleyebiliriz. “Yarı İletkenler ve Kuantum Dünyası” arık eskisinden çok daha yakın olacaktır.
Mevcut elektronik altyapımız esas olarak yarı iletkenlere dayanmaktadır. Bu malzeme sınıfı, 20. yüzyılın ortalarında ortaya çıkmış ve o tarihten bu yana gelişim ve değişim göstermiştir.
Mevcut durumda yarı iletken elektroniğindeki en önemli zorluklar bulunmaktadır. Bunları şu şekilde sıralayabiliriz.
- Veri iletiminin bant genişliğini
- Enerji verimliliği
- Bilgi güvenliğini artıracak ilave iyileştirmeler
Yukarıda saydığımız maddeler için kuantum etkilerinden yararlanmanın büyük olasılıkla bir atılım olacağı düşünülüyor.
Süperiletken malzemelerde meydana gelebilecek kuantum etkileri özellikle dikkate değerdir. Süperiletkenler, belirli bir sıcaklığın altına soğutulduklarında elektrik direncinin kaybolduğu malzemelerdir. Süperiletkenlerdeki kuantum etkilerinin kullanılabileceği gerçeği, ilk kuantum bilgisayarlarda zaten gösterilmişti.
Günümüzün yarı iletken elektroniğinin olası haleflerini bulmak için, Cornell Üniversitesi’ndeki bir grup da dahil olmak üzere bazı araştırmacılar, sözde heteroeklemleri, yani iki farklı malzemeden yapılmış yapıları araştırıyorlar. Daha spesifik olarak, süper iletken ve yarı iletken malzemelerin katmanlı sistemlerine bakıyorlar.
Yeni çalışma için heteroeklemleri üreten John Wright, “Bir süredir bunun için çok benzer kristal yapılara sahip malzemeleri seçmeniz gerektiği biliniyor, böylece temas yüzeyinde kristal kafeste herhangi bir gerilim olmuyor” diye açıklıyor.
Bu açıdan iki uygun malzeme süperiletken niyobyum nitrür (NbN) ve yarı iletken galyum nitrürdür (GaN).
İkincisi, yarı iletken elektroniğinde zaten önemli bir rol oynamaktadır ve bu nedenle iyi araştırılmıştır.
Ancak şimdiye kadar, elektronların bu iki malzemenin temas arayüzünde tam olarak nasıl davrandığı ve yarı iletkenden gelen elektronların süperiletkenliğe müdahale edip böylece kuantum etkilerini ortadan kaldırmasının mümkün olup olmadığı net değildi.
Paul Scherrer Enstitüsü PSI ve Cornell Üniversitesi’ndeki araştırmacıların işbirliği sonucunda ve yaptıkları deneylerde, sonunda her iki malzemedeki elektronların da “kendilerini tuttuklarını” buldular. Kuantum etkilerini potansiyel olarak bozabilecek hiçbir istenmeyen etkileşim gerçekleşmiyordu.
Synchrotron Işığı Elektronik Yapıları Ortaya Çıkarır
PSI araştırmacıları, SLS’nin ADRESS ışın hattında iyi kurulmuş bir yöntem kullandı.
ADRESS ışın hattı 300 eV ila 1,6 keV enerji aralığında çalışan yüksek performanslı bir yumuşak X-ışını dalgalayıcı ışın hattıdır.
Paul Scherrer Enstitüsü’ndeki Swiss Light Source (SLS), üçüncü nesil bir senkrotron ışık kaynağıdır. 2.4 GeV enerji ile malzeme bilimi, biyoloji ve kimya araştırmaları için yüksek parlaklıkta foton ışınları sağlayıp araştırmaların yapılmasını temin etmektedir.
Synchrotron Işığı Nedir?
Synchrotron radyasyonu göreceli yüklü parçacıklar hızlarına dik bir ivmeye (a ⊥ v) maruz kaldıklarında yayılan elektromanyetik radyasyondur. Bazı parçacık hızlandırıcı türlerinde yapay olarak veya manyetik alanlarda hareket eden hızlı elektronlar tarafından doğal olarak üretilir. Bu şekilde üretilen radyasyon karakteristik bir polarizasyona sahiptir ve üretilen frekanslar elektromanyetik spektrumun büyük bir bölümünde değişebilir.
NbN/GaN heteroyapısı üzerinde ölçümler yapan Tianlun Yu, “Bu yöntemle malzemedeki elektronların toplu hareketini görselleştirebiliriz” diye açıklıyor.
Önemli araştırma sonucu neticesinde kısaca şunları söyleyebiliriz.
Niyobyum nitrür NbN ve galyum nitrür GaN arasındaki malzeme sınırında, ilgili “bantlar” birbirinden açıkça ayrılmıştır. Bu, araştırmacılara elektronların orijinal materyallerinde kaldığını ve komşu materyaldeki elektronlarla etkileşime girmediğini söyler.
Strocov, “Bizim için en önemli sonuç, niyobyum nitrürdeki süper iletkenliğin, bu, bir galyum nitrür tabakasıyla eşleşecek şekilde atom atom yerleştirilse bile bozulmadan kalmasıdır” diyor.
“Bununla, yapbozun doğrulayan başka bir parçasını sağlayabildik: Bu katman sistemi, süperiletkenlerde meydana gelen kuantum etkilerini yerleştiren ve kullanan yeni bir yarı iletken elektroniği biçimine kendini ödünç verebilir.”
Kaynak: techxplore
