Международная группа исследователей из Forschungszentrum Jülich (Германия), Тохокуского университета (Япония) и Политехнической школы Монреаля (Канада) совершила значительное открытие в области полупроводниковой науки. Учёные выявили замечательные спиновые свойства полупроводников на основе германий-олова (GeSn).
Роль полупроводников в современных технологиях
Полупроводники контролируют поток электричества, который питает повседневные технологии, такие как автомобили и компьютеры. Однако технологии развиваются с такой стремительной скоростью, что текущие полупроводниковые технологии испытывают напряжение.
«Полупроводники приближаются к своим физическим и энергетическим пределам с точки зрения скорости, производительности и энергопотребления», — говорит Макото Кода из Тохокуского университета. «Это огромная проблема, поскольку нам нужны полупроводники, которые смогут соответствовать растущим требованиям, таким как сети 5G/6G и растущее использование искусственного интеллекта».
Новые классы полупроводников
Чтобы преодолеть эти проблемы, учёные обращаются к новым классам полупроводников, названным сплавами группы IV. Они могут обеспечить возможности, превосходящие те, что могут предоставить кремний и германий по отдельности.
Цель состоит не только в том, чтобы сохранить совместимость с существующей технологической платформой на основе кремния, которая лежит в основе мировой индустрии электроники и фотоники, но и в том, чтобы внедрить совершенно новые функции — от более быстрой обработки и меньшего энергопотребления до интеграции с фотонными и квантовыми технологиями.
Спинтроника и квантовые вычисления
Одним из особенно перспективных направлений является спинтроника — подход, который выходит за рамки традиционной электроники, используя квантовое свойство собственного углового момента электрона, обычно известного как спин, а не полагаясь исключительно на его электрический заряд.
Новая работа, опубликованная в Communication Materials 2 октября 2025 года, раскрывает свойства материала кремний-интегрированного сплава GeSn, подчёркивая их низкую эффективную массу тяжёлой дырки в плоскости, большой g-фактор и его анизотропию.
В квантовых вычислениях дырки полезны, поскольку они могут хранить и обрабатывать квантовую информацию, обеспечивая быстрые операции и длительное время когерентности в рамках существующих полупроводниковых платформ.
Команда подтвердила высокую энергию спинового расщепления, что указывает на то, что полупроводники GeSn могут иметь значительные преимущества перед обычными материалами, такими как Si и Ge. Кроме того, это многообещающий путь для создания кубитов и маломощных спинтронных устройств.
Совместимость с КМОП
Важно отметить, что сплавы GeSn совместимы с комплементарными металл-оксид-полупроводниками (КМОП), что делает это достижение важным шагом на пути к революционным достижениям в области квантовой обработки информации и электронных устройств нового поколения.
Помимо квантовой и спинтронной сфер, GeSn также обеспечивает значительные преимущества в интегрированных лазерах, термоэлектрических и электронных приложениях. Его уникальная зонная структура обеспечивает эффективное излучение света, что делает его сильным кандидатом для чиповых лазеров и фотоники. В то же время его благоприятные тепловые и электронные свойства открывают возможности для улучшения термоэлектрического преобразования энергии и более эффективных транзисторов.
«Будущие усилия будут сосредоточены на совершенствовании конструкции устройств, масштабировании компонентов и изучении новых приложений», — говорит Кода. «Это международное сотрудничество дополнительно подтверждает, что сплавы GeSn являются полупроводниками, способными изменить правила игры и стать основой будущих технологий».