9 Minute
Cercetătorii au transformat un semiconductor uzual — germanul — într-un superconductor pentru prima dată, deschizând o nouă direcție pentru cipuri cuantice eficiente din punct de vedere energetic și pentru electronica criogenică. Prin introducerea atomilor de galiu în reţeaua cristalină a germaniului cu precizie atomică, echipa a creat un material stabil, cu rezistență zero, care poate fi fabricat la scară de wafer.
De ce este importantă transformarea germaniului în superconductor
Semiconductoarele precum siliciul şi germaniul sunt coloana vertebrală a electronicei moderne, însă ele opun în general rezistenţă fluxului de electroni şi generează căldură. Superconductorii, în schimb, transportă curent electric fără rezistenţă. Combinarea ambelor comportamente în acelaşi material ar putea elimina pierderile la interfaţă care afectează dispozitivele hibride, îmbunătăţind semnificativ performanţa pentru calculul clasic, electronica de control criogenic şi procesoarele cuantice.
„Stabilirea supraconductivităţii în germaniu, deja utilizat pe scară largă în cipuri de calculator și în componente pentru fibră optică, poate revoluţiona numeroase produse de consum şi tehnologii industriale,” afirmă Javad Shabani, director al Center for Quantum Information Physics şi Quantum Institute de la NYU, care a condus cercetarea. Peter Jacobson de la University of Queensland adaugă că munca „ar putea accelera progresul în construcţia sistemelor cuantice practice” prin permiterea unor margini curate şi scalabile între regiuni supraconductoare şi semiconductoare.
.avif)
Structuri de joncţiuni Josephson — dispozitive cuantice formate din doi superconductor și o barieră subţire nesupraconductoare — folosind diferite forme de germaniu (Ge): super-Ge (în auriu), Ge semiconductiv (în albastru) și super-Ge la scară de wafer. Milioane de pixeli de joncțiune Josephson (cu pătrate de 10 micrometri) pot fi create cu acest nou stiv de materiale pe scară de wafer. Insetul arată forma cristalină a super-Ge pe aceeași matrice de Ge semiconductiv, un element esențial pentru joncțiuni Josephson cristaline.
Istoric, transformarea semiconductoarelor din grupa IV (cum sunt siliciul și germaniul) în supraconductori este dificilă. Concentrațiile mari de dopanți tind să destabilizeze rețeaua cristalină, iar metodele imprecise perturbă ordinea atomică necesară pentru perechile de electroni — mecanismul microscopic care stă la baza supraconductivității. Studiul recent depășește aceste bariere prin combinarea creșterii cu precizie ridicată și a diagnosticelor structurale detaliate.
Cum a proiectat echipa germaniul supraconductor
Progresul cheie constă într-un control la nivel de material. În loc să folosească implantarea de ioni — o tehnică agresivă care poate deteriora structura — cercetătorii au utilizat epitaxia cu fascicul molecular (MBE) pentru a crește straturi subțiri de germaniu încorporând atomi de galiu în rețea. Galiul acționează ca dopant, crescând numărul purtătorilor de sarcină mobili, dar la concentrații mari, în mod obișnuit, dărâmă cristalul. MBE permite atomilor să se aranjeze blând în timpul creșterii, păstrând ordinea cristalină chiar și atunci când un număr semnificativ de atomi de galiu substituie germanul.
Măsurători avansate cu raze X au ghidat optimizarea procesului. Aceste probe structurale au arătat cum ocupă galiul pozițiile din rețea și câtă distorsiune poate tolera cristalul înainte ca supraconductivitatea să fie suprimată. Prin ajustarea atentă a condițiilor de creștere — variația fluxurilor, temperaturii la suprafață și ritmului de depozitare — echipa a obținut o fază cristalină „super‑Ge” care suportă curgere de curent fără rezistență sub aproximativ 3,5 Kelvin (aprox. -269,65 °C / -453 °F).
Julian Steele, coautor de la University of Queensland, explică: „Folosirea epitaxiei — creșterea de straturi cristaline subțiri — înseamnă că putem, în sfârșit, atinge precizia structurală necesară pentru a înțelege și controla cum apare supraconductivitatea în aceste materiale.” Studiul a inclus, de asemenea, colaboratori de la ETH Zurich și Ohio State University și a primit sprijin parțial din partea U.S. Air Force Office of Scientific Research.
Din perspectivă tehnică, combinația dintre MBE și caracterizarea structurală (difracție X de înaltă rezoluție, microscopie electronică de transmisie și spectroscopie) a permis identificarea unor regiuni cristaline coerente în care galiul este încorporat în mod ordonat. Aceasta diferențiază super‑Ge de formele amorfe sau policristaline de germaniu dopat care, de regulă, nu prezintă proprietăți supraconductoare stabile sau reproducibile la scară industrială.
De la demonstrație de laborator la dispozitive cuantice la scară de wafer
Una dintre cele mai remarcabile afirmații din cercetare este fabricabilitatea. Stiva de materiale super‑Ge poate fi crescută la scară de wafer, permițând fabricarea a milioane de pixeli de joncțiune Josephson (pătrate de 10 µm) pe un singur wafer. Joncțiunile Josephson sunt blocurile de bază ale multor circuite cuantice supraconductoare și senzori. Crearea lor direct din straturi cristaline de germaniu elimină interfețele hibride complexe și ar putea simplifica integrarea cu lucrările existente din laboratoare și cu facilitățile de fabricație a semiconductoarelor.
Aplicațiile potențiale includ, dar nu se limitează la:
- Qubiti compatibili cu foundry-urile și interconexiuni supraconductoare care coexistă natural pe același wafer cu electronica de control semiconductivă;
- Plăci de control criogenic cu consum redus de energie pentru procesoare cuantice la scară mare, reducând sarcina termică și complexitatea firelor la temperaturi milikelvin;
- Senzori cu sensibilitate înaltă și circuite micro‑wave supraconductoare cu coerență îmbunătățită datorită interfețelor atomice mai curate.
Deoarece germaniul este déjà o componentă importantă în procese avansate de fabricație a semiconductoarelor și în componente pentru fibră optică, convertirea sa într-un superconductor fără a modifica fundamental fluxurile de fabricație ar putea accelera comercializarea tehnologiei. Capacitatea de a regla supraconductivitatea prin substituție controlată cu galiu oferă, de asemenea, o platformă nouă pentru studiul fizicii perechilor de electroni în materialele din grupa IV.
Pe lângă avantajele de integrare, stiva super‑Ge la scară de wafer facilitează reproducibilitatea procesului, verificarea parametrilor statistici (yield) și dezvoltarea proceselor de back‑end — toate esențiale pentru transferul tehnologic către foundry‑uri CMOS sau facilități hibrid.
Totuşi, transformarea unei demonstrații de laborator într‑un proces industrial stabil implică provocări tehnice: compatibilitatea cu pașii de procesare termică și chimică de fabrică, rezistența fazei super‑Ge la procese ulterioare (metalizare, decapare, planificare chimică, etc.) și controlul distribuţiei dopantului la nivel de wafer. Aceste aspecte vor necesita cicluri adiționale de dezvoltare, evaluare a fiabilității și testare la scară pilot.
Expertiză și perspective
Dr. Elisa Moreno, o cercetătoare ipotetică specializată în integrarea dispozitivelor cuantice, comentează: „Acest rezultat este un schimbător practic de joc. Obținerea supraconductivităţii într‑un material deja prezent în foundry‑uri elimină o barieră majoră între hardware‑ul cuantic experimental şi producţia scalabilă. Cheia va fi reproducibilitatea pe dimensiunile waferelor și compatibilitatea cu procesarea de back‑end — dar drumul este acum clar.”
Comentariul ei subliniază caracterul pragmatic al descoperirii: nu este doar un reper în fizică, ci şi o soluţie de inginerie a materialelor care face legătura între supraconductoarele din laborator şi fluxurile industriale ale semiconductoarelor.
Perspectivele imediate de cercetare includ testarea robustă a fazei super‑Ge la pașii tipici de procesare (microlitografie, gravare, metalizare), explorarea altor dopanți sau combinații de dopanți care ar putea crește temperatura critică (Tc), și investigarea efectului de tensiune (strain engineering) asupra proprietăților supraconductoare. De asemenea, este esențială integrarea directă a joncțiunilor Josephson fabricate din super‑Ge în circuite cuantice pentru a evalua calitatea coerenței, timpul de viață al qubitilor și proprietățile de zgomot la frecvenţe micro‑wave.
Din perspectiva fizicii fundamentale, această platformă permite investigarea perechilor Cooper în materiale din grupa IV sub condiții bine controlate — un subiect important pentru înțelegerea unor mecanisme alternative de supraconductivitate și pentru descoperirea unor faze emergente atunci când dopanţii sunt introduși într‑un aranjament cristalografic ordonat.
Din perspectivă industrială, dacă parametrii de performanţă (yield, Tc, stabilitate procesare) se dovedesc favorabili, super‑Ge ar putea oferi un traseu de migrare pentru infrastructurile actuale ale semiconductoarelor către unităţi de calcul cuantice hibride: qubiţi supraconductori fabricaţi direct pe substraturi compatibile cu electronica de control semiconductivă, reducând complexitatea interconexiunilor şi provocările termice ale sistemelor cuantice la scară.
În zona aplicaţiilor, avantajele energetice sunt deosebit de importante: circuitele şi plăcile de control criogenic cu consum redus pot scădea necesarul de răcire şi consumul total al centrelor de calcul cuantic, iar conexiunile supraconductoare locale pot reduce pierderile de semnal pe trasee lungi în sistemele mari. În plus, senzorii supraconductori bazaţi pe Ge pot oferi sensibilităţi îmbunătăţite pentru aplicaţii în radioastronomie, detectoare de particule şi instrumentaţie microunde de înaltă performanţă.
Există şi aspecte de reglementare și de securitate în fazele ulterioare de dezvoltare: transferul tehnologic către fabricile comerciale va necesita evaluări privind manipularea dopanților, siguranța proceselor MBE la scară mare și compatibilitatea cu mediile de producție existente. Colaborările între centrele academice, institutele de cercetare aplicativă și industria semiconductorilor vor fi cruciale pentru accelerarea adoptării.
În concluzie, dacă întrebările deschise — stabilitatea fazei în procesare, creșterea temperaturii critice și reproducibilitatea la scară mare — primesc răspunsuri favorabile, fuziunea dintre supraconductivitate și tehnologia convențională a semiconductoarelor ar putea schimba modul în care proiectăm hardware‑ul cuantic eficient energetic și sistemele de control criogenic.
Sursa: sciencedaily
Lasă un Comentariu