Деценијама су истраживачи покушавали да створе полупроводничке материјале који могу да делују и као супрапроводници – материјали способни да носе електричну струју без отпора. Полупроводници, који чине основу савремених компјутерских чипова и соларних ћелија, могли би да раде далеко брже и ефикасније ако би поседовали и суперпроводне способности. Ипак, претварање материјала као што су силицијум и германијум у суперпроводнике остаје велики изазов, углавном зато што захтева одржавање деликатног атомског аранжмана који омогућава електронима да се слободно крећу.
Глобални тим научника сада је постигао оно што је некада изгледало недостижно. У новој студији објављеној у Нанотехнологија природеони извештавају о стварању облика германијума који показује суправодљивост. То значи да може да спроводи електричну енергију са нултим отпором, омогућавајући електричним струјама да бесконачно круже без губитка енергије. Такво понашање могло би драматично повећати перформансе електронских и квантних уређаја уз истовремено смањење потрошње енергије.
„Успостављање суперпроводљивости у германијуму, који се већ нашироко користи у компјутерским чиповима и оптичким влакнима, може потенцијално да револуционише многе потрошачке производе и индустријске технологије“, објашњава Јавад Шабани, физичар са Универзитета у Њујорку и директор његовог Центра за квантну информациону физику и Квантног института.
Питер Џејкобсон, физичар са Универзитета Квинсленд, додаје да би открића могла да убрзају напредак у изградњи практичних квантних система. „Ови материјали би могли бити основа будућих квантних кола, сензора и криогене електронике мале снаге, од којих су сви потребни чисти интерфејси између суперпроводних и полупроводних региона“, каже он. „Германијум је већ радни материјал за напредне полупроводничке технологије, тако да показујући да може постати и суправодљив у условима контролисаног раста, сада постоји потенцијал за скалабилне квантне уређаје спремне за ливење.
Како полупроводници постају суперпроводници
Германијум и силицијум, оба елемента ИВ групе са кристалном структуром налик дијаманту, заузимају јединствену позицију између метала и изолатора. Њихова свестраност и издржљивост чине их централним за савремену производњу. Да би изазвали суперпроводљивост у таквим елементима, научници морају пажљиво да измене њихову атомску структуру како би повећали број електрона доступних за проводљивост. Ови електрони се затим упарују и крећу се кроз материјал без отпора – процес који је познато да је тешко фино подесити на атомској скали.
У новој студији, истраживачи су развили германијумске филмове који су у великој мери инфузирани галијумом, мекшим елементом који се обично користи у електроници. Ова техника, позната као „допинг“, дуго се користи за модификовање електричног понашања полупроводника. Нормално, високи нивои галијума дестабилизују кристал, спречавајући суперпроводљивост.
Тим је превазишао ово ограничење користећи напредне рендгенске методе како би водио рафинирани процес који подстиче атоме галијума да заузму место атома германијума у кристалној решетки. Иако ова замена мало искривљује кристал, она чува његову укупну стабилност и омогућава му да носи струју са нултим отпором на 3,5 Келвина (око -453 степена Фаренхајта), потврђујући да је постао суперпроводљив.
Прецизни алати откључавају атомску контролу
„Уместо јонске имплантације, коришћена је епитаксија молекуларним снопом за прецизно укључивање атома галијума у кристалну решетку германијума“, каже Џулијан Стил, физичар са Универзитета Квинсленд и коаутор студије. „Коришћење епитаксије – раста танких кристалних слојева – значи да коначно можемо постићи структурну прецизност потребну да разумемо и контролишемо како се суперпроводљивост појављује у овим материјалима.“
Као што Шабани напомиње, „Ово функционише јер елементи групе ИВ нису природно суперпроводни у нормалним условима, али модификовање њихове кристалне структуре омогућава формирање упаривања електрона који омогућавају суперпроводљивост.
Студија је такође укључила истраживаче са ЕТХ Цириха и Државног универзитета Охајо и добила је делимичну подршку од Канцеларије за научна истраживања америчког ваздухопловства (ФА9550-21-1-0338). Овај међународни напор означава кључни корак ка интегрисању суперпроводног понашања у саме материјале који покрећу данашњу електронику, потенцијално преобликујући пејзаж рачунарства и квантне технологије.
