Международной команде исследователей удалось совершить прорыв, о котором мечтали десятилетиями: они создали сверхпроводящую форму германия. Этот широко используемый полупроводниковый материал впервые продемонстрировал способность проводить электрический ток без какого-либо сопротивления. Открытие, подробно описанное в журнале Nature Nanotechnology, знаменует собой важный шаг к созданию электроники нового поколения.
Это достижение может кардинально изменить потребительские товары и промышленные технологии. Поскольку германий уже является основой для компьютерных чипов и волоконной оптики, его новые сверхпроводящие свойства могут привести к созданию устройств, работающих гораздо быстрее и эффективнее, при этом потребляющих меньше энергии. Физик Джавад Шабани из Нью-Йоркского университета подчеркивает революционный потенциал этого открытия.
Особенно важным этот прорыв может стать для развития квантовых технологий. Ученые видят в новом материале основу для будущих квантовых схем, сверхчувствительных датчиков и энергоэффективной электроники, работающей при сверхнизких температурах. Поскольку германий уже хорошо освоен в производстве, это открывает путь к созданию масштабируемых и готовых к промышленному внедрению квантовых устройств.
Превратить полупроводник в сверхпроводник — крайне сложная задача. Такие материалы, как германий и кремний, в обычных условиях не обладают сверхпроводимостью. Для этого необходимо изменить их атомную структуру так, чтобы электроны могли объединяться в пары и беспрепятственно перемещаться, не встречая сопротивления. Требуется ювелирная точность на атомном уровне. Учёные исследовали и другие полупроводниковые материалы, включая кремний, арсенид галлия и теллурид висмута. Например, кремний при сильном легировании фосфором или бором может проявлять сверхпроводимость при очень низких температурах около 0,35 К, а в арсениде галлия это явление наблюдалось при легировании марганцем или под высоким давлением.
Ученые преодолели это препятствие, внедрив в кристаллическую решетку германия атомы галлия. Этот элемент был выбран не случайно: галлий часто используется как легирующая примесь для германия, потому что он легко встраивается в его кристаллическую решётку, создавая дырочную проводимость. Теоретические расчёты, основанные на моделировании электронной структуры, предсказывали, что галлий может эффективно изменять электронные свойства германия, потенциально способствуя сверхпроводимости при определённых условиях. Вместо грубого метода ионной имплантации исследователи использовали точную технологию молекулярно-лучевой эпитаксии, которая позволяет выращивать материал слой за слоем с атомарной точностью. Это сохранило стабильность кристалла и позволило ему стать сверхпроводником при температуре 3,5 Кельвина.
Исследование, в котором участвовали ученые из США, Австралии и Швейцарии при поддержке ВВС США, открывает новую главу в материаловедении. Интеграция сверхпроводимости в хорошо изученные и технологичные полупроводники обещает в перспективе изменить ландшафт вычислительной техники и квантовых технологий, сделав их более мощными и доступными.
Источник: Scientists turn common semiconductor into a superconductor