Ciche zrzucenie krzemu z tronu? German wchodzi do gry kwantowej
Czasami największe odkrycia naukowe czają się tam, gdzie nikt się ich nie spodziewa. Właśnie tak się stało z germanem, czyli pierwiastkiem, który od dziesięcioleci wydawał się pozbawiony tajemnic i który jest ciągle wykorzystywany w elektronice. Okazuje się jednak, że ten zwyczajny materiał może zachowywać się w zupełnie niezwyczajny sposób.
Przez lata patrzyliśmy na nadprzewodniki jak na wyspę oddzieloną od zwykłej elektroniki oceanem temperatur, materiałów i kosztów. Tymczasem ktoś właśnie przerzucił na tę wyspę most, stawiając podwaliny pod rewolucję. Rewolucję nie z żadnych egzotycznych związków, a z materiału, który od dawna jeździ po taśmach produkcyjnych i zna wszystkie kaprysy litografii. German, do tej pory statysta w cieniu krzemu, nagle dostał główną rolę i to w scenie, w której prąd płynie bez strat.
Proces przekształcania półprzewodnika w nadprzewodnik. Kluczowe etapy i zastosowane techniki
German należy do tej samej grupy pierwiastków co krzem i w normalnych warunkach nie wykazuje właściwości nadprzewodzących. Sekret sukcesu jego przemiany z półprzewodnika w nadprzewodnik tkwi w niezwykle precyzyjnej modyfikacji jego struktury atomowej. Naukowcy zastosowali metodę epitaksji z wiązek molekularnych, która pozwala na kontrolowane osadzanie pojedynczych warstw atomowych. Ta technika zapewnia znacznie większą precyzję niż tradycyjna implantacja jonowa, która często prowadzi do nieuporządkowania struktury krystalicznej.
Czytaj też: Mały jak pizza, a mocny jak czołg. Najmocniejszy silnik świata redefiniuje moc
Kluczowym elementem okazało się hiperdomieszkowanie galem na poziomie 17,9% podstawienia atomów, co odpowiada ekstremalnej koncentracji dziur wynoszącej 4,15 × 10²¹ na centymetr sześcienny. Wartości te znacznie przekraczają standardowe poziomy domieszkowania stosowane w przemyśle półprzewodnikowym. Badania opublikowane 30 października 2025 roku w Nature Nanotechnology szczegółowo opisują cały proces.
Użycie epitaksji – wzrostu cienkich warstw krystalicznych – oznacza, że możemy wreszcie osiągnąć precyzję strukturalną potrzebną do zrozumienia i kontrolowania, jak nadprzewodnictwo pojawia się w tych materiałach – tłumaczy Julian Steele, współautor badań.
Temperatura krytyczna i strukturalne podstawy nadprzewodnictwa
Zaawansowane techniki rentgenowskie oparte na synchrotronie ujawniły kluczowy szczegół dotyczący struktury materiału. Atomy galu są inkorporowane substytucyjnie w sieci krystalicznej germanu, wprowadzając tetragonalne zniekształcenie do komórki elementarnej. To właśnie ten uporządkowany sposób rozmieszczenia domieszek, potwierdzony obliczeniami kwantowymi, tworzy warunki dla pojawienia się nadprzewodnictwa. Wcześniejsze próby domieszkowania germanu często kończyły się skupianiem atomów domieszek i nieuporządkowaniem strukturalnym, co uniemożliwiało osiągnięcie pożądanego efektu.
Działa to, ponieważ pierwiastki grupy IV nie nadprzewodzą naturalnie w normalnych warunkach, ale modyfikacja ich struktury krystalicznej umożliwia tworzenie par elektronów, które pozwalają na nadprzewodnictwo – mówi Javad Shabani, fizyk z New York University.
Czytaj też: Szansa dla elektrowni węglowych. Czy Rosja właśnie odczarowała węgiel?
Nadprzewodnictwo w zmodyfikowanym germanie pojawia się w temperaturze 3,5 Kelwina, co odpowiada około minus 270 stopni Celsjusza. Chociaż to jednoznaczne z wymogiem zastosowania zaawansowanego chłodzenia kriogenicznego, to warto zauważyć, że wiele materiałów nadprzewodzących używanych w badaniach kwantowych pracuje w podobnych zakresach temperatur.
Potencjał zastosowań w technologiach kwantowych
Prawdziwe znaczenie tego odkrycia wykracza poza sam fakt uzyskania nadprzewodnictwa. German od lat jest wykorzystywany w produkcji zaawansowanych układów scalonych i komponentów fotoniki, co oznacza, że przemysł półprzewodnikowy doskonale zna jego właściwości i potrafi z nim pracować. Sama możliwość tworzenia struktur łączących obszary nadprzewodzące i półprzewodzące w tym samym materiale otwiera interesujące perspektywy dla skalowalnej produkcji urządzeń kwantowych.
Materiały nadprzewodnikowo-półprzewodnikowe są kluczowe dla budowy kubitów topologicznych, stanowiących jedno z obiecujących podejść do obliczeń kwantowych. Wymagają one czystych interfejsów między różnymi fazami materiału, co do tej pory stanowiło spore wyzwanie. Epitaksjalny german domieszkowany galem oferuje platformę charakteryzującą się niskim nieporządkiem i możliwością wytworzenia w kontrolowanych warunkach, co może mieć istotne znaczenie dla przyszłych zastosowań.
Materiały te mogłyby stanowić podstawę przyszłych obwodów kwantowych, czujników i energooszczędnej elektroniki kriogenicznej, z których wszystkie wymagają czystych interfejsów między obszarami nadprzewodzącymi i półprzewodzącymi – Peter Jacobson, współautor badań.
Czytaj też: Wlecieli samolotem w oko huraganu kategorii 5. To co nagrali przekracza ludzkie wyobrażenia
Badania były finansowane przez United States Air Force Office of Scientific Research oraz Australian Research Council, co sugeruje potencjalne zastosowania zarówno w technologiach obronnych, jak i cywilnych. Do czego z kolei doprowadzą? Na to odpowie tylko przyszłość.