Forskare har länge försökt att tillverka halvledare – viktiga komponenter i datorchips och solceller – som också är supraledande, vilket skulle öka deras hastighet och energieffektivitet och möjliggöra nya kvanttekniker. Det har dock visat sig svårt att uppnå supraledning i halvledarmaterial som kisel och germanium på grund av svårigheten att upprätthålla en optimal atomstruktur med önskat ledningsbeteende.
I en artikel publicerad i tidskriften Nature Nanotechnology rapporterar ett internationellt forskarteam att de har framställt en form av germanium som är supraledande – det vill säga kan leda elektricitet med noll motstånd, vilket gör att ström kan flöda obegränsat utan energiförlust, vilket resulterar i högre driftshastighet som kräver mindre energi.
”Att uppnå supraledning i germanium, som redan används i stor utsträckning i datorchips och fiberoptik, kan potentiellt revolutionera en rad konsumentprodukter och industriella tekniker”, säger Javad Shabani, fysiker vid New York University, direktör för NYU:s Center of Quantum Information Physics och universitetets nyinrättade Quantum Institute, en av författarna till artikeln.
”Dessa material kan ligga till grund för framtida kvantkretsar, sensorer och lågeffekts kryogen elektronik, som alla behöver rena gränssnitt mellan supraledande och halvledande områden”, tillägger Peter Jacobson, fysiker vid University of Queensland och en av författarna till artikeln.
”Germanium är redan ett arbetshästmaterial för avancerad halvledarteknik, så genom att visa att det också kan bli supraledande under kontrollerade tillväxtförhållanden finns det nu potential för skalbara, fabriksredo kvantkomponenter.”
Halvledarmaterial som germanium och kisel, båda diamantliknande kristaller, är grupp IV-element, vars elektroniska beteende sträcker sig över både metaller och isolatorer. Dessa material är användbara i tillverkningen på grund av sin flexibilitet och hållbarhet.
Supraledning uppnås i dessa grundämnen genom att manipulera deras struktur för att införa ett stort antal ledande elektroner. Dessa elektroner interagerar med germaniumkristallen för att para ihop sig med varandra och röra sig utan motstånd – en process som historiskt sett har varit svår att kontrollera på atomnivå.
I sitt nya arbete skapade forskarna germaniumfilmer som var kraftigt infuserade med ett mjukare element, gallium, som också ofta används i elektronik. Denna sedan länge etablerade process, generellt känd som ”dopning”, förändrar halvledarens elektriska egenskaper – men vid höga halter av gallium blir materialet vanligtvis instabilt, vilket leder till en nedbrytning av kristallen och ingen superledning.
I de nyligen rapporterade resultaten visar forskarna dock, med hjälp av avancerad röntgenteknik, en ny teknik som tvingar galliumatomer att ersätta germaniumatomer i kristallen vid högre nivåer än normalt. Denna process deformerar kristallens form något, men bibehåller ändå en stabil struktur som kan leda elektricitet utan motstånd vid 3,5 Kelvin – eller cirka -453 grader Fahrenheit – och därmed blir superledande.
”I stället för jonimplantation användes molekylär strålepitaksi för att precisionsinförliva galliumatomer i germaniumkristallgitteret”, konstaterar Julian Steele, fysiker vid University of Queensland och en av författarna till artikeln. ”Genom att använda epitaxi – odling av tunna kristallskikt – kan vi äntligen uppnå den strukturella precision som krävs för att förstå och kontrollera hur superledning uppstår i dessa material.”
”Detta fungerar eftersom element i grupp IV inte är naturligt supraledande under normala förhållanden, men genom att modifiera deras kristallstruktur kan man bilda elektronpar som möjliggör supraledning”, konstaterar Shabani.
Mer information: Superledning i substitutions-Ga-hyperdopade Ge-epitaxiala tunna filmer, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-02042-8
