Hyperdomieszkowanie galem, czyli sekret nowej metody
Międzynarodowa grupa naukowców z New York University, University of Queensland, ETH Zurich i Ohio State University dokonała niezwykłego postępu w dziedzinie materiałoznawstwa. Udało im się przekształcić german w materiał nadprzewodzący, co do niedawna uważano za niemożliwe. Osiągnięto to w ekstremalnie niskiej temperaturze 3,5 Kelvina, co odpowiada około minus 270 stopniom Celsjusza. Podstawą sukcesu okazała się zaawansowana technika epitaksji z wiązek molekularnych. Pozwala ona na niezwykle precyzyjne wbudowanie atomów galu w strukturę krystaliczną germanu. Naukowcom udało się osiągnąć rekordowe stężenie domieszek, ponieważ prawie 18% atomów germanu zastąpiono galem.
Czytaj też: Stopy metali pamiętają swój kształt. Nadjeżdża kolejowa rewolucja
Zastosowanie epitaksji – wzrostu cienkich warstw krystalicznych – oznacza, że możemy wreszcie osiągnąć precyzję strukturalną potrzebną do zrozumienia i kontrolowania, w jaki sposób nadprzewodnictwo pojawia się w tych materiałach – tłumaczy Julian Steele, fizyk z University of Queensland
Problem z tak intensywnym domieszkowaniem zawsze polegał na utracie stabilności struktury krystalicznej. Badacze pokonali to wyzwanie dzięki zaawansowanym technikom rentgenowskim wykorzystującym synchrotron. Analizy wykazały, iż atomy galu zostały prawidłowo wbudowane w sieć krystaliczną, wprowadzając wprawdzie pewne zniekształcenia, lecz nie naruszając zarazem ogólnej stabilności materiału.
Szanse dla elektroniki i technologii kwantowych
Dlaczego to odkrycie może mieć praktyczne znaczenie? German nie jest egzotycznym materiałem laboratoryjnym, gdyż od dawna stosuje się go w zaawansowanych technologiach półprzewodnikowych. Oznacza to, że infrastruktura produkcyjna i know-how już istnieją, co może przyspieszyć ewentualne wdrożenia.
German jest już podstawowym materiałem dla zaawansowanych technologii półprzewodnikowych, więc pokazując, że może również stać się nadprzewodnikiem w kontrolowanych warunkach wzrostu, istnieje teraz potencjał dla skalowalnych, gotowych do produkcji urządzeń kwantowych – dodaje Peter Jacobson z University of Queensland
Czytaj też: Wodorowy samolot hipersoniczny na horyzoncie. Projekt wart miliony ma odmienić transport lotniczy
Potencjalne zastosowania obejmują energooszczędną elektronikę, szybsze układy obliczeniowe oraz zaawansowane czujniki. Eliminacja strat energii podczas przewodzenia prądu mogłaby znacząco obniżyć zużycie energii w centrach danych. Materiały łączące właściwości półprzewodnikowe z nadprzewodzącymi mogą również znaleźć zastosowanie w rozwijającej się technologii kwantowej, gdzie czyste interfejsy między różnymi typami materiałów są kluczowe. Z drugiej strony, stosowana temperatura wymaga skomplikowanych układów chłodzenia, co ogranicza praktyczne zastosowania. Mimo to samo osiągnięcie nadprzewodnictwa w materiale tak dobrze znanym i stosowanym w przemyśle stanowi ważny krok naprzód. My widzimy natomiast, że nawet dobrze znane materiały mogą skrywać nieoczekiwane właściwości, czekające na ujawnienie dzięki nowoczesnym technikom inżynierii materiałowej.