Создан новый тип полупроводника, обладающего потенциалом сверхпроводимости

Ученые давно стремятся создать полупроводники — жизненно важные компоненты компьютерных чипов и солнечных батарей — которые также являются сверхпроводящими, тем самым повышая их скорость и энергоэффективность и открывая новые квантовые технологии. Создание такого гибрида сулило бы революцию в вычислительной технике, энергетике и открыло бы прямую дорогу к созданию практичных квантовых компьютеров.

Однако эта цель оставалась призрачной, особенно для классических полупроводников, таких как кремний и германий, чья атомная структура упорно сопротивлялась необходимым для сверхпроводимости изменениям. Теперь международной команде исследователей удалось совершить прорыв, превратив германий, одну из «рабочих лошадок» полупроводниковой индустрии, в сверхпроводник.

Ключом к успеху стал инновационный подход к легированию — процессу внедрения в кристаллическую решетку германия атомов другого элемента, галлия. Исторически проблема заключалась в том, что высокие концентрации легирующей примеси, необходимые для появления сверхпроводимости, разрушали идеальную алмазоподобную структуру германия, делая материал нестабильным и лишая его желаемых свойств.

Ученые преодолели это препятствие, применив передовой метод молекулярно-лучевой эпитаксии. Этот высокоточный процесс позволил им выращивать тонкие пленки германия, в которых атомы галлия не просто хаотично заполняли пустоты, а целенаправленно замещали атомы германия в узлах кристаллической решетки в концентрациях, ранее считавшихся недостижимыми без разрушения структуры.

Хотя такое интенсивное замещение и привело к небольшой деформации кристалла, решетка сохранила стабильность, что и оказалось решающим фактором. Благодаря этой структурной точности, достигнутой впервые, материал продемонстрировал способность проводить электрический ток с нулевым сопротивлением при чрезвычайно низкой температуре около 3,5 Кельвина.

Этот феномен, известный как сверхпроводимость, возникает из-за того, что электроны, которых в легированном материале становится очень много, начинают взаимодействовать не как отдельные частицы, а объединяются в так называемые куперовские пары. Эти пары могут координированно перемещаться через кристалл, не встречая сопротивления, что и обеспечивает беспрепятственное течение тока.

Значение этого открытия трудно переоценить. Как подчеркивает физик Джавад Шабани из Нью-Йоркского университета, интеграция сверхпроводимости в германий, уже повсеместно используемого в компьютерных чипах и волоконно-оптических системах, обладает колоссальным потенциалом для преобразования целых отраслей. Это может открыть путь к созданию в будущем принципиально новых квантовых схем, высокочувствительных датчиков и энергоэффективной криогенной электроники.

По словам Питера Якобсона из Университета Квинсленда, поскольку германий уже является краеугольным камнем передовых полупроводниковых технологий, демонстрация его сверхпроводящих свойств в условиях контролируемого роста создает беспрецедентные возможности для разработки масштабируемых, готовых к промышленному производству квантовых устройств. Таким образом, этот прорыв не только расширяет наши фундаментальные знания о поведении материалов, но и служит мостом между миром классической полупроводниковой электроники и многообещающей реальностью квантовых технологий.

На картинке: Структуры с джозефсоновскими переходами — квантовые устройства, состоящие из двух сверхпроводников и тонкого несверхпроводящего барьера, — используют различные формы германия (Ge): супергерманий (золотой), полупроводниковый германий (синий) и супергерманий в масштабе пластины. С помощью этого нового материала можно создать миллионы пикселей джозефсоновского перехода (площадью 10 квадратных микрометров) в масштабе пластины. На врезке показана кристаллическая форма супергермания на той же матрице полупроводникового германия, что является ключом к кристаллическому джозефсоновскому переходу.