Fisika kuantum berkembang secara luarbiasa pada abad ke 20. Perkembangan teknologi yang begitu luar biasa saat ini terjadi karena perkembang dari fisika kuantum tersebut.
Ilmuwan Cornell University telah mengidentifikasi pesaing baru dalam hal material kuantum untuk komputasi dan elektronik suhu rendah.
Menggunakan bahan berbasis nitrida, para peneliti menciptakan struktur material yang secara bersamaan menunjukkan superkonduktivitas, di mana hambatan listrik hilang sepenuhnya dan efek Hall kuantum menghasilkan resistansi dengan ketepatan ekstrim ketika medan magnet diterapkan.
"Ini adalah perkawinan yang indah dari dua hal yang kita tahu, pada skala mikro, yang memberikan elektron sifat kuantum yang paling mengejutkan," kata Debdeep Jena, Profesor Teknik David E. Burr di Sekolah Teknik Listrik dan Komputer dan Departemen Ilmu dan Teknik Material. Jena memimpin penelitian tersebut, yang diterbitkan 19 Februari di Science Advances, dengan mahasiswa doktoral Phillip Dang dan rekan peneliti Guru Khalsa, penulis senior makalah tersebut.
Kedua sifat fisik ini jarang terlihat secara bersamaan karena magnet seperti kriptonit hanya untuk bahan superkonduktor, menurut Jena.
"Medan magnet menghancurkan superkonduktivitas, tetapi efek Hall kuantum hanya muncul dalam semikonduktor di medan magnet yang besar” kata Jena. "Para peneliti dalam beberapa tahun terakhir telah mencoba untuk mengidentifikasi bahan yang menunjukkan kedua sifat tersebut dengan keberhasilan yang beragam."
Penelitian ini adalah validasi terbaru dari Jena-Xing Lab yang menyatakan bahwa bahan nitrida mungkin menawarkan lebih banyak ilmu daripada yang diperkirakan sebelumnya. Nitrida secara tradisional telah digunakan untuk pembuatan LED dan transistor untuk produk seperti telepon pintar dan penerangan rumah, memberi mereka reputasi sebagai bahan kelas industri yang telah diabaikan untuk komputasi kuantum dan elektronik kriogenik.
"Bahannya sendiri tidak sesempurna silikon, yang berarti ia memiliki lebih banyak cacat," kata rekan penulis Huili Grace Xing, Profesor Teknik Listrik dan Komputer William L. Quackenbush dan Ilmu dan Teknik Material. "Namun karena kekokohannya, materi ini telah memberikan kejutan yang menyenangkan bagi komunitas riset lebih dari sekali meskipun strukturnya sangat tidak teratur. Mungkin ada jalan ke depan bagi kami untuk benar-benar mengintegrasikan berbagai modalitas komputasi kuantum, memori, komunikasi."
Integrasi semacam itu dapat membantu memadatkan ukuran komputer kuantum dan elektronik generasi mendatang lainnya, seperti halnya komputer klasik yang telah menyusut dari ukuran gudang menjadi ukuran saku.
komputer kuantum memiliki potensi untuk melaksanakan berbagai perhitungan secara simultan sehingga jauh lebih cepat dari komputer digital. Komputer kuantum menggunakan partikel yang bisa berada dalam dua keadaan sekaligus, misalnya atomatom yang pada saat yang sama berada dalam keadaan tereksitasi dan tidak tereksitasi, atau foton (partikel cahaya) yang berada di dua tempat berbeda pada saat bersamaan.
"Kami bertanya-tanya apa yang dapat diaktifkan oleh platform material semacam ini, karena kami melihat bahwa itu mencentang banyak kotak," kata Jena, yang menambahkan bahwa fenomena fisik baru dan aplikasi teknologi dapat muncul dengan penelitian lebih lanjut. "Ia memiliki superkonduktor, semikonduktor, bahan filter. Ia memiliki semua jenis komponen lain, tetapi kami belum menggabungkan semuanya. Kami baru saja menemukan bahwa mereka dapat hidup berdampingan."
Untuk penelitian ini, tim Cornell mulai merekayasa heterostruktur epitaxial nitride , lapisan tipis atom dari gallium nitride dan niobium nitride dan mencari kondisi di mana medan magnet dan suhu di lapisan akan mempertahankan quantum Hall dan properti superkonduktor .
Mereka akhirnya menemukan jendela kecil tempat properti diamati secara bersamaan, berkat kemajuan dalam kualitas bahan dan struktur yang dihasilkan dalam kolaborasi erat dengan rekan di Naval Research Laboratory.
"Kualitas superkonduktor niobium nitrida telah cukup ditingkatkan sehingga dapat bertahan dari medan magnet yang lebih tinggi, dan secara bersamaan kami harus meningkatkan kualitas semikonduktor galium nitrida sehingga dapat menunjukkan efek Hall kuantum pada medan magnet yang lebih rendah," kata Dang. "Dan itulah yang benar-benar memungkinkan fisika baru potensial terlihat pada suhu rendah."
Aplikasi potensial untuk struktur material mencakup elektronik yang lebih efisien, seperti pusat data yang didinginkan hingga suhu yang sangat rendah untuk menghilangkan limbah panas. Dan strukturnya adalah yang pertama meletakkan dasar untuk penggunaan semikonduktor nitrida dan superkonduktor dalam komputasi kuantum topologi, di mana pergerakan elektron harus tahan terhadap cacat material yang biasanya terlihat pada nitrida.
"Apa yang kami tunjukkan adalah bahwa bahan-bahan yang dibutuhkan untuk membuat fase topologi ini berada dalam struktur yang sama," kata Khalsa, "dan menurut saya fleksibilitas nitrida benar-benar membuka kemungkinan dan cara baru untuk mengeksplorasi keadaan topologi materi”.
Penelitian ini didanai oleh Office of Naval Research dan National Science Foundation.
Sumber
1. Phillip Dang, Guru Khalsa, Celesta S. Chang, D. Scott Katzer, Neeraj Nepal, Brian P. Downey, Virginia D. Wheeler, Alexey Suslov, Andy Xie, Edward Beam, Yu Cao, Cathy Lee, David A. Muller,
Huili Grace Xing, David J. Meyer, Debdeep Jena. An all-epitaxial nitride heterostructure with concurrent quantum Hall effect and superconductivity. Science Advances, 2021; 7 (8): eabf1388 DOI: 10.1126/sciadv.abf1388