电子的“地图”:用SX-阿尔佩斯方法获得的这张图显示了代表电子在能量/动量空间中占据的状态的亮带。半导体氮化镓(GaN)中的能带与氮化铌(NbN)中的超导态(用浅蓝色虚线包围)明显分开。这意味着两种材料中的决定性电子不会相互干扰。功劳:保罗·舍勒研究所/于天伦超导体中的量子效应可能会给半导体技术带来新的转折。保罗·舍勒研究所和纽约州康奈尔大学的研究人员已经确定了一种复合材料，可以将量子器件集成到半导体技术中，使电子元件的功能显著增强。他们今天在《科学进展》杂志上发表了他们的发现。我们目前的电子基础设施主要基于半导体。这类材料大约出现在20世纪中叶，此后一直在改进。目前，半导体电子领域最重要的挑战包括进一步提高数据传输带宽、能效和信息安全。利用量子效应可能是一个突破。
超导材料中可能出现的量子效应尤其值得考虑。超导体是这样的材料，当它们冷却到一定温度以下时，电阻就消失了。超导体中的量子效应可以被利用的事实已经在第一台量子计算机中得到了证明。
为了找到今天半导体电子学的可能继任者，一些研究人员——包括康奈尔大学的一个小组——正在研究所谓的异质结，即由两种不同类型的材料制成的结构。更具体地说，他们正在研究超导和半导体材料的分层系统。“一段时间以来，人们已经知道，你必须为此选择具有非常相似晶体结构的材料，这样在接触表面的晶格中就没有张力，”约翰·赖特解释说，他为康奈尔大学的新研究制造了异质结。
在这方面，两种合适的材料是超导体氮化铌(NbN)和半导体氮化镓(GaN)。后者已经在半导体电子学中发挥了重要作用，因此得到了很好的研究。然而，到目前为止，还不清楚电子在这两种材料的接触界面上是如何表现的，也不清楚半导体中的电子是否有可能干扰超导性，从而消除量子效应。
“当我在康奈尔大学遇到该小组的研究时，我知道:在PSI，我们可以用我们在ADRESS束线的光谱方法找到这个基本问题的答案，”PSI同步加速器光源SLS的研究员弗拉基米尔·斯特罗科夫解释道。
这就是这两个团体合作的方式。在他们的实验中，他们最终发现这两种材料中的电子“各自为政”。不会发生可能破坏量子效应的不必要的相互作用。
同步加速器的光揭示了电子结构
防扩散安全倡议的研究人员使用了一种在空间光散射系统的自衍射光束线上很好建立的方法:使用软x光的角度分辨光电子能谱——简称SX-阿尔佩斯。“通过这种方法，我们可以可视化材料中电子的集体运动，”弗拉基米尔·斯特罗科夫团队的博士后研究员于天伦解释说，他在NbN/GaN异质结构上进行了测量。余和赖特一起是这份新出版物的第一作者。
SX-阿尔佩斯方法提供了一种地图，其空间坐标显示了电子在一个方向上的能量和在另一个方向上的速度；更准确地说，是他们的冲力。“在这个表示中，电子状态在地图上显示为亮带，”于解释道。关键的研究结果:在氮化铌NbN和氮化镓GaN之间的材料边界处，各自的“带”明显地彼此分离。这告诉研究人员，电子保留在它们的原始材料中，不与相邻材料中的电子相互作用。
“对我们来说，最重要的结论是氮化铌中的超导性保持不变，即使它被一个原子一个原子地放置，以匹配一层氮化镓，”弗拉基米尔·斯特罗夫说。“有了这一点，我们能够提供另一个谜题，证实:这个层系统实际上可以适合一种新形式的半导体电子学，它嵌入并利用超导体中发生的量子效应。”
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