Wissenschaftler versuchen seit langem, Halbleiter – wichtige Komponenten in Computerchips und Solarzellen – herzustellen, die auch supraleitend sind, um so ihre Geschwindigkeit und Energieeffizienz zu verbessern und neue Quantentechnologien zu ermöglichen. Die Erzielung von Supraleitfähigkeit in Halbleitermaterialien wie Silizium und Germanium hat sich jedoch als schwierig erwiesen, da es schwierig ist, eine optimale atomare Struktur mit dem gewünschten Leitungsverhalten aufrechtzuerhalten.
In einem Artikel berichtet ein internationales Wissenschaftlerteam über die Herstellung einer Form von Germanium, die supraleitend ist – also Strom ohne Widerstand leiten kann, wodurch Ströme ohne Energieverlust unbegrenzt fließen können, was zu einer höheren Betriebsgeschwindigkeit bei geringerem Energieverbrauch führt.
Quantentechnologien durch supraleitende Halbleiter greifbarer denn je
„Die Herstellung von Supraleitfähigkeit in Germanium, das bereits weit verbreitet in Computerchips und Glasfasern verwendet wird, könnte zahlreiche Verbraucherprodukte und industrielle Technologien revolutionieren“, sagt der Physiker Javad Shabani von der New York University, Direktor des Center of Quantum Information Physics der NYU und des neu gegründeten Quantum Institute der Universität, einer der Autoren des Artikels.
„Diese Materialien könnten die Grundlage für zukünftige Quantenschaltungen, Sensoren und energiesparende kryogene Elektronik bilden, die alle saubere Schnittstellen zwischen supraleitenden und halbleitenden Bereichen benötigen“, fügt Peter Jacobson hinzu, Physiker an der University of Queensland und einer der Autoren der Studie. „Germanium ist bereits ein wichtiges Material für fortschrittliche Halbleitertechnologien. Da nun gezeigt wurde, dass es unter kontrollierten Wachstumsbedingungen auch supraleitend werden kann, besteht nun das Potenzial für skalierbare, serienreife Quantenbauelemente.“
Halbleitermaterialien wie Germanium und Silizium, beides diamantähnliche Kristalle, sind Elemente der Gruppe IV, deren elektronisches Verhalten zwischen dem von Metallen und Isolatoren liegt. Diese Materialien sind aufgrund ihrer Flexibilität und Haltbarkeit in der Fertigung nützlich. Die Supraleitfähigkeit dieser Elemente wird durch Manipulation ihrer Struktur erreicht, um zahlreiche leitende Elektronen einzuführen. Diese Elektronen interagieren mit dem Germaniumkristall, um sich miteinander zu paaren und sich ohne Widerstand zu bewegen – ein Prozess, der in der Vergangenheit auf atomarer Ebene nur schwer zu kontrollieren war.
Präzise Gallium-Dotierung macht Germanium supraleitend
In der Arbeit stellten die Wissenschaftler Germaniumfilme her, die stark mit einem weicheren Element, Gallium, angereichert waren, das ebenfalls häufig in der Elektronik verwendet wird. Dieser seit langem etablierte Prozess, der allgemein als „Dotierung“ bezeichnet wird, verändert die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters – aber bei hohen Galliumkonzentrationen wird das Material in der Regel instabil, was zu einem Zusammenbruch des Kristalls und zum Verlust der Supraleitfähigkeit führt.
In den neu veröffentlichten Ergebnissen demonstrieren die Wissenschaftler jedoch mithilfe fortschrittlicher Röntgentechniken eine neue Technik, bei der Galliumatome dazu gebracht werden, Germaniumatome innerhalb des Kristalls in höheren Konzentrationen als normal zu ersetzen. Dieser Prozess verformt die Form des Kristalls leicht, erhält jedoch eine stabile Struktur, die bei 3,5 K – oder etwa -453 °F – Strom ohne Widerstand leiten kann und somit supraleitend wird.
„Anstelle der Ionenimplantation wurde die Molekularstrahlepitaxie verwendet, um Galliumatome präzise in das Kristallgitter des Germaniums einzubauen“, erklärt Julian Steele, Physiker an der University of Queensland und einer der Autoren der Veröffentlichung. „Durch die Verwendung der Epitaxie – das Aufwachsen dünner Kristallschichten – können wir endlich die strukturelle Präzision erreichen, die erforderlich ist, um zu verstehen und zu kontrollieren, wie Supraleitung in diesen Materialien entsteht.“
„Das funktioniert, weil Elemente der Gruppe IV unter normalen Bedingungen nicht von Natur aus supraleitend sind, aber durch Veränderung ihrer Kristallstruktur können Elektronenpaare gebildet werden, die Supraleitung ermöglichen“, erklärt Shabani.
