Поиск сверхпроводимости в полупроводниках
Учёные давно пытались создать полупроводники — важнейшие компоненты компьютерных чипов и солнечных батарей — которые также были бы сверхпроводниками. Это позволило бы повысить их скорость и энергоэффективность, а также создать новые квантовые технологии. Однако достижение сверхпроводимости в полупроводниковых материалах, таких как кремний и германий, оказалось сложной задачей из-за трудностей в поддержании оптимальной атомной структуры с желаемым поведением проводимости.
Международный прорыв
В статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology, международная группа учёных сообщает о создании формы германия, которая является сверхпроводящей — способной проводить электричество с нулевым сопротивлением, что позволяет токам течь бесконечно без потерь энергии, что обеспечивает большую операционную скорость, требующую меньше энергии.
Потенциал для революционных изменений
«Установление сверхпроводимости в германии, который уже широко используется в компьютерных чипах и волоконной оптике, может потенциально революционизировать множество потребительских товаров и промышленных технологий», — говорит физик Нью-Йоркского университета Джавад Шабани, директор Центра физики квантовой информации Нью-Йоркского университета и недавно созданного в университете Квантового института, один из авторов статьи.
Применение в квантовых технологиях
«Эти материалы могут стать основой будущих квантовых схем, датчиков и криогенной электроники с низким энергопотреблением, для которых необходимы чистые интерфейсы между сверхпроводящими и полупроводниковыми областями», — добавляет Питер Джейкобсон, физик из Университета Квинсленда и один из авторов статьи.
Новый подход к созданию сверхпроводящего германия
«Германий уже является основным материалом для передовых полупроводниковых технологий, поэтому, показав, что он также может стать сверхпроводником при контролируемых условиях роста, мы получили потенциал для создания масштабируемых квантовых устройств, готовых к производству», — говорится в статье.
Особенности полупроводниковых материалов
Полупроводниковые материалы, такие как германий и кремний, являются алмазоподобными кристаллами, элементами IV группы, чьё электронное поведение находится между металлами и изоляторами. Эти материалы полезны в производстве благодаря своей гибкости и долговечности.
Достижение сверхпроводимости
Достижение сверхпроводимости в этих элементах осуществляется путём управления их структурой для введения многочисленных проводящих электронов. Эти электроны взаимодействуют с кристаллом германия, образуя пары и двигаясь без сопротивления — процесс, который исторически было сложно контролировать на атомном уровне.
Новый метод создания сверхпроводящего германия
В своей новой работе учёные создали плёнки германия, которые были сильно насыщены более мягким элементом — галлием, который также широко используется в электронике. Этот давно установленный процесс, известный как «легирование», изменяет электрические свойства полупроводника. Однако при высоких уровнях галлия материал обычно становится нестабильным, что приводит к разрушению кристалла и отсутствию сверхпроводимости.
Однако в недавно опубликованных результатах учёные, используя передовые рентгеновские методы, демонстрируют новую технику, которая заставляет атомы галлия заменять атомы германия в кристалле на более высоких, чем обычно, уровнях. Этот процесс слегка деформирует форму кристалла, но тем не менее сохраняет стабильную структуру, которая может проводить электричество с нулевым сопротивлением при температуре 3,5 Кельвина — или приблизительно -453 градуса по Фаренгейту, — тем самым становясь сверхпроводником.
«Вместо ионной имплантации использовалась молекулярно-лучевая эпитаксия для точного включения атомов галлия в кристаллическую решётку германия», — отмечает Джулиан Стил, физик из Университета Квинсленда и один из авторов статьи. «Использование эпитаксии — выращивание тонких кристаллических слоёв — означает, что мы наконец-то можем достичь структурной точности, необходимой для понимания и контроля того, как сверхпроводимость возникает в этих материалах».
«Это работает, потому что элементы IV группы в обычных условиях не являются сверхпроводниками, но модификация их кристаллической структуры позволяет формировать электронные пары, которые обеспечивают сверхпроводимость», — отмечает Шабани.