1761843079
2025-10-30 16:41:00
Ученые уже давно стремятся создать полупроводники – жизненно важные компоненты компьютерных чипов и солнечных элементов – которые также будут сверхпроводящими, тем самым повышая их скорость и энергоэффективность и создавая возможности для новых квантовых технологий. Однако достижение сверхпроводимости в полупроводниковых материалах, таких как кремний и германий, оказалось сложной задачей из-за сложности поддержания оптимальной атомной структуры с желаемым поведением проводимости.
В недавно опубликованной статье в журнале Природные нанотехнологииМеждународная группа ученых сообщает о создании сверхпроводящей формы германия, способной проводить электричество с нулевым сопротивлением, что позволяет токам течь бесконечно без потерь энергии, что приводит к большей рабочей скорости и требует меньше энергии.
«Обнаружение сверхпроводимости германия, который уже широко используется в компьютерных чипах и оптоволокне, потенциально может произвести революцию во многих потребительских товарах и промышленных технологиях», — говорит физик Нью-Йоркского университета Джавад Шабани, директор Центра квантовой информационной физики Нью-Йоркского университета и недавно созданного университетского квантового института, один из авторов статьи.
«Эти материалы могут стать основой будущих квантовых схем, датчиков и маломощной криогенной электроники, для которых необходимы чистые интерфейсы между сверхпроводящими и полупроводниковыми областями», — добавляет Питер Джейкобсон, физик из Университета Квинсленда и один из авторов статьи. «Германий уже является рабочим материалом для передовых полупроводниковых технологий, поэтому, продемонстрировав, что он также может стать сверхпроводником в условиях контролируемого роста, теперь появился потенциал для масштабируемых, готовых к литейному производству квантовых устройств».
Полупроводниковые материалы, такие как германий и кремний (оба являются алмазоподобными кристаллами), представляют собой элементы IV группы, чье электронное поведение находится в пределах поведения металлов и изоляторов. Эти материалы полезны в производстве из-за их гибкости и долговечности. Достижение сверхпроводимости в этих элементах достигается путем изменения их структуры путем введения многочисленных проводящих электронов. Эти электроны взаимодействуют с кристаллом германия, соединяясь друг с другом и двигаясь без сопротивления – процесс, который исторически было сложно контролировать на атомном уровне.
В рамках работы Nature Nanotechnology учёные создали пленки германия, которые были сильно пропитаны более мягким элементом галлием, который также широко используется в электронике. Этот давно известный процесс, известный под общим названием «легирование», изменяет электрические свойства полупроводника, но при высоких уровнях галлия материал обычно становится нестабильным, что приводит к разрушению кристалла и отсутствию сверхпроводимости.
Однако в недавно опубликованных результатах ученые, используя передовые рентгеновские методы, демонстрируют новую технику, которая заставляет атомы галлия замещать атомы германия внутри кристалла 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 примерно -453 градуса по Фаренгейту – тем самым становясь сверхпроводящим.
«Вместо ионной имплантации для точного включения атомов галлия в кристаллическую решетку германия использовалась молекулярно-лучевая эпитаксия», — отмечает Джулиан Стил, физик из Университета Квинсленда и один из авторов статьи. «Использование эпитаксии – выращивания тонких кристаллических слоев – означает, что мы наконец можем достичь структурной точности, необходимой для понимания и контроля того, как в этих материалах возникает сверхпроводимость».
«Это работает, потому что элементы группы IV не обладают естественной сверхпроводимостью при нормальных условиях, но изменение их кристаллической структуры позволяет образовывать электронные пары, которые обеспечивают сверхпроводимость», — замечает Шабани.
Ссылка: Стил Дж.А., Стробин П.Дж., Верди С. и др. Сверхпроводимость в эпитаксиальных тонких пленках замещенного Ga-гиперлегированного Ge. Нат Нанотехнол. 2025. дои: 10.1038/с41565-025-02042-8
#Новый #тип #полупроводника #обещает #сверхпроводимость
По теме
