Десятилетиями ученые стремились создать полупроводниковые материалы, способные действовать как сверхпроводники – вещества, проводящие электрический ток без сопротивления. Полупроводники, лежащие в основе современных компьютерных чипов и солнечных батарей, могли бы работать значительно быстрее и эффективнее, если бы обладали сверхпроводящими свойствами. Однако придание сверхпроводимости таким материалам, как кремний и германий, оставалось серьезной проблемой, главным образом из–за необходимости поддерживать тонкую атомную структуру, позволяющую электронам свободно перемещаться.
Международная команда ученых достигла того, что казалось недостижимым. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Nanotechnology, они сообщили о создании формы германия, которая демонстрирует сверхпроводимость. Это означает, что материал может проводить электричество с нулевым сопротивлением, позволяя электрическим токам циркулировать бесконечно без потери энергии. Подобное открытие способно значительно повысить производительность электронных и квантовых устройств, одновременно снижая энергопотребление.
Джавад Шабани, физик из Нью–Йоркского университета и директор Центра квантовой информационной физики и Квантового института, поясняет, что установление сверхпроводимости в германии, уже широко используемом в компьютерных чипах и оптоволокне, может потенциально «революционизировать множество потребительских товаров и промышленных технологий».
Питер Джейкобсон, физик из Квинслендского университета, добавляет, что эти результаты могут ускорить прогресс в создании практических квантовых систем. По его словам, «эти материалы могут стать основой для будущих квантовых схем, датчиков и маломощной криогенной электроники, для которых необходимы чистые границы раздела между сверхпроводящими и полупроводниковыми областями». Он также подчеркивает, что германий уже является «рабочей лошадкой для передовых полупроводниковых технологий, поэтому демонстрация его способности становиться сверхпроводящим при контролируемых условиях роста открывает потенциал для масштабируемых, готовых к производству квантовых устройств».
Германий и кремний – элементы IV группы с алмазоподобными кристаллическими структурами – занимают уникальное положение между металлами и изоляторами. Их универсальность и долговечность делают их центральными для современного производства. Чтобы вызвать сверхпроводимость в таких элементах, ученые должны тщательно изменить их атомную структуру для увеличения количества электронов, доступных для проводимости. Затем эти электроны объединяются в пары и перемещаются по материалу без сопротивления – процесс, который чрезвычайно трудно точно настроить на атомном уровне.
В новом исследовании ученые разработали тонкие пленки германия, сильно легированные галлием – более мягким элементом, обычно используемым в электронике. Эта техника, известная как «легирование», давно применяется для изменения электрических свойств полупроводников. Обычно высокие концентрации галлия дестабилизируют кристалл, препятствуя сверхпроводимости.
Команда преодолела это ограничение, используя передовые рентгеновские методы для точного контроля процесса, который способствует замещению атомов германия атомами галлия в кристаллической решетке. Хотя это замещение незначительно искажает кристалл, оно сохраняет его общую стабильность и позволяет проводить ток с нулевым сопротивлением при температуре 3,5 Кельвина (около –270 градусов Цельсия), подтверждая состояние сверхпроводимости.
«Вместо ионной имплантации для точного внедрения атомов галлия в кристаллическую решетку германия использовалась молекулярно–лучевая эпитаксия», – отмечает Джулиан Стил, физик из Квинслендского университета и соавтор исследования. Он объясняет, что применение эпитаксии, то есть процесса выращивания тонких кристаллических слоев, позволяет «наконец–то достичь структурной точности, необходимой для понимания и контроля того, как сверхпроводимость возникает в этих материалах».
Как подчеркивает Шабани, «это работает, потому что элементы IV группы не являются естественными сверхпроводниками в нормальных условиях, но изменение их кристаллической структуры позволяет формировать электронные пары, обеспечивающие сверхпроводимость».
В исследовании также участвовали ученые из Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и Университета штата Огайо. Частичную поддержку оказало Управление научных исследований ВВС США. Это международное достижение является ключевым шагом к интеграции сверхпроводящих свойств в материалы, которые лежат в основе современной электроники, и потенциально может переформатировать ландшафт вычислительных систем и квантовых технологий.
