Gli scienziati creano il primo "semiconduttore quantistico" al mondo.

Illustrazione del primo dispositivo semiconduttore quantistico in cui è stato raggiunto l'effetto pelle topologica. Il flusso di elettroni (cerchio blu) lungo il bordo assicura una robustezza insuperabile nonostante le deformazioni del materiale o altre perturbazioni esterne. Questo semiconduttore quantistico segna una svolta nello sviluppo dei piccoli dispositivi elettronici topologici. Crediti: Christoph Mäder/pixelwg

I dispositivi semiconduttori sono piccoli componenti che gestiscono il movimento degli elettroni nei dispositivi elettronici contemporanei. Sono fondamentali per alimentare una vasta gamma di prodotti ad alta tecnologia, tra cui telefoni cellulari, laptop e sensori per veicoli, nonché dispositivi medici all'avanguardia. Tuttavia, la presenza di impurità del materiale o variazioni di temperatura possono interferire con il flusso degli elettroni, causando instabilità.

Ma ora, fisici teorici ed sperimentali del Cluster di Eccellenza ct.qmat - Complessità e Topologia nella Materia Quantistica di Würzburg-Dresda hanno sviluppato un dispositivo semiconduttore in alluminio-gallio-arseniuro (AlGaAs). Il flusso di elettroni di questo dispositivo, di solito suscettibile a interferenze, è salvaguardato da un fenomeno quantistico topologico. Questa ricerca rivoluzionaria è stata recentemente descritta nella prestigiosa rivista Nature Physics.

"Grazie all'effetto pelle topologica, tutte le correnti tra i diversi contatti sul semiconduttore quantistico non sono influenzate da impurità o altre perturbazioni esterne. Questo rende i dispositivi topologici sempre più interessanti per l'industria dei semiconduttori. Eliminano la necessità di livelli estremamente alti di purezza del materiale che attualmente determinano l'aumento dei costi della produzione di elettronica", spiega il professor Jeroen van den Brink, direttore dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido Teorico presso l'Istituto Leibniz per la Ricerca di Stato Solido e Materiali a Dresda (IFW) e investigatore principale di ct.qmat.

I materiali quantistici topologici, noti per la loro eccezionale robustezza, sono ideali per applicazioni ad alta potenza. "Il nostro semiconduttore quantistico è al tempo stesso stabile e altamente preciso, una combinazione rara. Questo posiziona il nostro dispositivo topologico come una nuova opzione entusiasmante nell'ingegneria dei sensori."

L'utilizzo dell'effetto pelle topologica consente nuovi tipi di dispositivi elettronici quantistici ad alte prestazioni che potrebbero anche essere incredibilmente piccoli. "Il nostro dispositivo quantistico topologico misura circa 0,1 millimetri di diametro e può essere ridotto ancora di più con facilità", rivela van den Brink. L'aspetto pionieristico di questo risultato del gruppo di fisici di Dresda e Würzburg è che sono stati i primi a realizzare l'effetto pelle topologica su scala microscopica in un materiale semiconduttore. Questo fenomeno quantistico è stato dimostrato inizialmente su scala macroscopica tre anni fa, ma solo in un metamateriale artificiale, non naturale. Questa è quindi la prima volta che è stato sviluppato un dispositivo quantistico topologico minuto, basato su semiconduttori, che è allo stesso tempo estremamente robusto e ultrapreciso.

"Nel nostro dispositivo quantistico, la relazione corrente-tensione è protetta dall'effetto pelle topologica perché gli elettroni sono confinati al bordo. Anche in presenza di impurità nel materiale semiconduttore, il flusso di corrente rimane stabile", spiega van den Brink. Continua: "Inoltre, i contatti possono rilevare anche le più piccole fluttuazioni di corrente o tensione. Questo rende il dispositivo quantistico topologico particolarmente adatto per la realizzazione di sensori ad alta precisione e amplificatori con diametri minuti."

Il successo è stato ottenuto organizzando creativamente materiali e contatti su un dispositivo semiconduttore AlGaAs, inducendo l'effetto topologico in condizioni di ultrafreddo e in presenza di un forte campo magnetico. "Abbiamo davvero spronato l'effetto pelle topologica dal dispositivo", spiega van den Brink. Il team di fisici ha utilizzato una struttura semiconduttore bidimensionale. I contatti sono stati disposti in modo tale che la resistenza elettrica potesse essere misurata ai bordi dei contatti, rivelando direttamente l'effetto topologico.

Dal 2019, ct.qmat sta studiando i materiali quantistici topologici a Würzburg e Dresda, esplorando il loro straordinario comportamento in condizioni estreme come temperature ultra-basse, alte pressioni o forti campi magnetici.

La recente svolta è anche il risultato di una collaborazione continuativa tra scienziati delle due sedi del cluster. Il nuovo dispositivo quantistico, concepito presso l'IFW, è stato un sforzo congiunto che ha coinvolto fisici teorici dell'Università di Würzburg, così come ricercatori teorici e sperimentali a Dresda. Dopo essere stato prodotto in Francia, il dispositivo è stato testato a Dresda. Jeroen van den Brink e i suoi colleghi sono ora dedicati all'esplorazione ulteriore di questo fenomeno, al fine di sfruttarlo per future innovazioni tecnologiche.