超导体中的量子效应可能会给半导体技术带来新的变化。瑞士保罗谢勒研究所(PSI)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，可以将量子设备集成到半导体技术中，从而使电子元件变得更加强大。他们近日在《科学进展》杂志上发表了他们的发现。

我们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，此后的时间半导体技术一直在改进。目前，半导体电子领域需要进一步的改进点和重要的挑战点主要是要增加数据传输的带宽、能源的利用效率和保护信息的安全。利用量子效应很可能在这些方面取得突破。

超导材料中可能发生的量子效应应该特别值得考虑。超导体是一种当它们冷却到一定温度以下时其电阻就会消失的材料。可以利用超导体中的量子效应这一事实已经在第一台量子计算机中得到证明。

为了寻找当今半导体电子产品的可能继任者，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，他们正在研究由超导体和半导体材料组成的分层系统。在康奈尔大学为这项新研究制作异质结的John Wright解释说：“众所周知，您必须为此选择具有非常相似晶体结构的材料，以便在接触表面的晶格中没有张力。”

在这方面，有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产品中发挥了重要作用，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面上的确切行为，来自半导体的电子是否有可能干扰超导性，从而消除量子效应。

PSI同步加速器光源SLS的研究员Vladimir Strocov解释说：“当我在康奈尔大学遇到该小组的研究时，我知道在PSI，我们可以通过我们在ADRESS光束线上的光谱方法找到这个基本问题的答案。”
 
这就是这两个小组合作的方式。在他们的实验中，他们最终发现这两种材料中的电子都保持了自身的状态。也就是说不会发生可能会破坏量子效应的不需要的相互作用。

PSI研究人员使用了一种在SLS的ADRESS光束线上的成熟方法：使用软X射线角度来分辨光电子能谱(或称为SX-ARPES技术)。Vladimir Strocov团队的博士后研究员、该研究论文的第一作者Tianlun Yu解释说：“通过这种方法，我们可以可视化材料中电子的集体运动。”他对NbN/GaN异质结进行了测量。

SX-ARPES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，是它们的动力。Tianlun Yu解释说在这种表示中，电子状态在地图中显示为亮带。他们取得的关键研究成果是：在氮化铌NbN和氮化镓GaN之间的材料边界处，各自的“带”彼此明显分离。这告诉研究人员，电子保留在其原始材料中，不会与相邻材料中的电子发生相互作用。

Vladimir Strocov说：“对我们来说，最重要的结论是，铌氮化物的超导性不会受到干扰，即使它被逐个放置以匹配氮化镓层。有了这个结论，我们能够提供另一个谜题的答案：这种分层系统实际上可以适用于一种新形式的半导体电子器件，该半导体电子器件可嵌入并利用超导体中发生的量子效应。”（编译:Qtech）