German jako superprzewodnik? Naukowcy dokonali przełomu, który może odmienić elektronikę i technologie kwantowe

Dlaczego to osiągnięcie jest tak ważne?

Półprzewodniki, takie jak german i krzem, są fundamentem współczesnych technologii: od układów scalonych po ogniwa słoneczne. Gdyby materiały te można było przekształcić w superprzewodniki, ich wydajność wzrosłaby wielokrotnie — prąd przepływałby bez strat energii, a urządzenia mogłyby działać szybciej i zużywać mniej mocy.

Jednak od dekad badacze zmagali się z trudnością zamiany półprzewodników w superprzewodniki. Wymaga to bowiem stworzenia bardzo precyzyjnej struktury atomowej, w której elektrony mogą łączyć się w pary i poruszać bez oporu. Jak dotąd udawało się to wyłącznie w wyjątkowych, niestabilnych warunkach. Nowe badanie, opublikowane w Nature Nanotechnology, przełamuje tę barierę.

Jak zamienia się półprzewodnik w superprzewodnik?

German i krzem mają diamentopodobną strukturę krystaliczną, należą do grupy IV pierwiastków i znajdują się na pograniczu właściwości metalicznych i izolacyjnych. Aby „włączyć” superprzewodnictwo, naukowcy muszą zwiększyć liczbę elektronów zdolnych do przewodzenia i umożliwić im parowanie się na poziomie atomowym.

Klucz do sukcesu: gal w sieci germanu

Naukowcy stworzyli cienkie warstwy germanu silnie domieszkowane galem — miękkim pierwiastkiem znanym z elektroniki. Problem polegał na tym, że duża ilość galu zwykle niszczy strukturę krystaliczną, uniemożliwiając powstanie superprzewodnictwa.

Badacze pokonali tę przeszkodę, stosując:

• epitaksję z wiązki molekularnej, która pozwala dokładnie „wbudować” atomy galu w odpowiednie miejsca,
• zaawansowane techniki rentgenowskie, które pomagały śledzić i kontrolować strukturę na poziomie atomowym.

Dzięki temu gal zastępował atomy germanu zamiast zaburzać całą strukturę. Choć taka zamiana lekko zniekształca sieć krystaliczną, to wciąż zachowuje jej stabilność — i co najważniejsze — pozwala osiągnąć superprzewodnictwo w temperaturze 3,5 K.

Nowa era w projektowaniu urządzeń kwantowych

Badacze podkreślają, że to odkrycie może przyspieszyć rozwój:

• scalonych układów kwantowych,
• superczułych czujników,
• energooszczędnej elektroniki kriogenicznej,
• hybrydowych układów półprzewodnikowo–superprzewodnikowych, które są podstawą komputerów kwantowych.

German już dziś jest szeroko używany w zaawansowanej elektronice. Teraz, gdy wiadomo, że można nadać mu właściwości superprzewodzące, producenci zyskują możliwość tworzenia urządzeń kwantowych, które łatwo integrować z istniejącymi technologiami półprzewodnikowymi.

Jak zauważa Javad Shabani z Uniwersytetu Nowojorskiego: „Superprzewodnictwo w germanie może zrewolucjonizować zarówno technologie konsumenckie, jak i przemysłowe.”

Co to oznacza dla przyszłości technologii?

Największym wyzwaniem w budowie komputerów kwantowych i nowoczesnej elektroniki są materiały. Muszą one:

• działać w ekstremalnych warunkach,
• być stabilne,
• pozwalać na miniaturyzację,
• być skalowalne do produkcji przemysłowej.

German spełnia większość z tych wymagań — a teraz, dzięki nowym metodom wzrostu kryształów, okazuje się, że może również działać jako superprzewodnik.

To oznacza:

Potencjalnie tańsze i łatwiejsze do produkcji urządzenia kwantowe

Mniejsze zużycie energii w elektronice o wysokiej wydajności

Nowe architektury obwodów, łączące półprzewodniki i superprzewodniki w jednym materiale

Źródło: New York University