Команда учёных превратила германий, ключевой полупроводник, в сверхпроводник, точно интегрировав атомы галлия в его кристаллическую решётку.
На протяжении десятилетий исследователи пытались создать полупроводниковые материалы, которые также могли бы работать как сверхпроводники — материалы, способные проводить электрический ток без сопротивления. Полупроводники, которые лежат в основе современных компьютерных чипов и солнечных батарей, могли бы работать намного быстрее и эффективнее, если бы обладали сверхпроводящими свойствами. Однако превращение таких материалов, как кремний и германий, в сверхпроводники остаётся серьёзной проблемой, в основном потому, что для этого необходимо сохранить хрупкое атомное строение, позволяющее электронам свободно перемещаться
Международная группа учёных добилась того, что раньше казалось недостижимым. В новом исследовании, опубликованном в Nature Nanotechnology, они сообщают о создании формы германия, обладающей сверхпроводимостью. Это означает, что он может проводить электричество с нулевым сопротивлением, позволяя электрическим токам циркулировать бесконечно без потери энергии. Такое поведение может значительно повысить производительность электронных и квантовых устройств при одновременном снижении энергопотребления.
Германий и кремний, элементы IV группы с алмазоподобной кристаллической структурой, занимают уникальное положение между металлами и изоляторами. Благодаря своей универсальности и долговечности они играют ключевую роль в современном производстве. Чтобы вызвать сверхпроводимость в таких элементах, учёные должны тщательно изменить их атомную структуру, чтобы увеличить количество электронов, доступных для проводимости. Затем эти электроны объединяются в пары и перемещаются по материалу без сопротивления. Этот процесс, как известно, очень сложно настроить на атомном уровне.
В ходе нового исследования учёные создали плёнки из германия с высоким содержанием галлия — более мягкого элемента, который обычно используется в электронике. Этот метод, известный как «легирование», уже давно применяется для изменения электрических свойств полупроводников. Как правило, высокое содержание галлия дестабилизирует кристалл, препятствуя сверхпроводимости.
Команда преодолела это ограничение, используя передовые методы рентгеновского анализа для оптимизации процесса, в результате которого атомы галлия занимают место атомов германия в кристаллической решётке. Хотя такая замена слегка искажает кристалл, она сохраняет его общую стабильность и позволяет ему проводить ток с нулевым сопротивлением при температуре 3,5 Кельвина (около -453 градусов по Фаренгейту), что подтверждает его сверхпроводящие свойства.
«Создание сверхпроводимости в германии, который уже широко используется в компьютерных чипах и оптоволоконных кабелях, потенциально может произвести революцию во множестве потребительских товаров и промышленных технологий», — объясняет Джавад Шабани, физик из Нью-Йоркского университета и директор его Центра квантовой информационной физики и Квантового института.
Питер Джейкобсон, физик из Квинслендского университета, добавляет, что полученные результаты могут ускорить прогресс в создании практических квантовых систем. «Эти материалы могут стать основой для будущих квантовых схем, датчиков и маломощной криогенной электроники, для которых необходимы чистые границы между сверхпроводящими и полупроводниковыми областями, — говорит он. — Германий уже является основным материалом для передовых полупроводниковых технологий, поэтому, продемонстрировав, что он может становиться сверхпроводящим при контролируемых условиях роста, мы открыли потенциал для создания масштабируемых квантовых устройств, готовых к производству».