کشف ابررسانایی در ژرمانیوم: گامی بزرگ برای نیمهرساناهای نسل بعد
عنوان خبر: کشف ابررسانایی در ژرمانیوم: گامی بزرگ برای نیمهرساناهای نسل بعد
ژانر/موضوع: ابررسانایی
تاریخ انتشار خبر: 28 نوامبر 2025
لینک خبر: The Quantum Insider
چکیده:
دانشمندان برای نخستین بار توانستهاند در ژرمانیوم بهشدت دوپشده با گالیوم حالت ابررسانایی ایجاد کنند و در دمای ۳٫۵ کلوین به مقاومت الکتریکی صفر دست یابند. این دستاورد نقطه عطفی در تلاش طولانیمدت برای ساخت نیمهرساناهای ابررسانا است؛ موادی که میتوانند مزایای هر دو فناوری را ترکیب کرده و زمینهساز نسل جدیدی از دستگاههای کوانتومی و الکترونیک کممصرف شوند. تیم بینالمللی پژوهشگران که نتایج خود را در Nature Nanotechnology منتشر کردهاند، از روش اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) استفاده کردند تا اتمهای گالیوم را با دقت اتمی در شبکهی بلوری ژرمنیوم جایگذاری کنند. این روش باعث میشود اتمهای گالیوم جایگزین اتمهای ژرمانیوم شوند و با وجود غلظت بسیار بالای دوپینگ، ساختار بلوری پایدار باقی بماند—اتفاقی که با روشهای متداول دوپینگ شدید معمولاً به فروپاشی شبکه یا ساختارهای آمورف میانجامد. با پایدار نگهداشتن این فاز بلوریِ بهشدت دوپشده، پژوهشگران لایههایی از ژرمانیوم تولید کردند که در دماهای کرایوژنیک به حالت ابررسانا درمیآید. در این فرایند، الکترونهای رسانایی فراوانی وارد ماده میشود که با یکدیگر جفت شده و بدون مقاومت از طریق شبکه کمی کشیده شده (strained) اما پایدار حرکت میکنند. اندازهگیریهای پیشرفتهی پراش پرتو ایکس نشان داد که ساختار بلوری با وجود سطح بسیار بالای گالیوم پایدار مانده است. اهمیت این یافته در آن است که ژرمانیوم همین حالا یکی از مواد کلیدی در تراشههای پیشرفته، فوتونیک مجتمع و فیبر نوری است. اثبات امکان ابررسانا شدن در چنین ماده پرکاربردی، مسیر را برای ساخت دستگاههای کوانتومی سازگار با خطوط تولید صنعتی مانند پیوندهای جوزفسون، حسگرهای کوانتومی، مدارهای کممصرف در دماهای کرایوژنیک، و پردازندههای ترکیبی ابررسانا–نیمهرساناهموار میکند.
پژوهشگران حتی نشان دادند که میتوان میلیونها پیکسل پیوند جوزفسون را با این «سوپر-ژرمانیوم» روی یک ویفر تولید کرد. این پژوهش با مشارکت محققانی از دانشگاه نیویورک، دانشگاه کوئینزلند، ETH زوریخ و دانشگاه ایالتی اوهایو انجام شد و بخشی از بودجه آن را دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی آمریکا تأمین کرده است.
شرح کامل خبر:
پژوهشگران به یک دستاورد مهم در علم مواد رسیدهاند: ساخت نوعی ژرمانیوم که ابررسانا میشود؛ یعنی میتواند جریان الکتریکی را بدون هیچ مقاومت و با اتلاف انرژی صفر هدایت کند. این پیشرفت مسیرهای جدیدی را برای الکترونیکهای سریعتر و کممصرفتر و همچنین فناوریهای نوظهور کوانتومی هموار میکند. این نتیجه که در Nature Nanotechnology منتشر شده، حاصل همکاری بینالمللی دانشگاه نیویورک، دانشگاه کوئینزلند، ETH زوریخ و دانشگاه ایالتی اوهایو است و یک چالش چند دههای را پشت سر میگذارد: ایجاد ابررسانایی در نیمهرساناهای گروه IV مانند سیلیکون و ژرمانیوم بدون آنکه ساختار بلوری آنها دچار ناپایداری شود.
نیمهرساناهایی مانند سیلیکون و ژرمانیوم اساس فناوریهای محاسباتی، مخابراتی و فوتوولتائیک مدرن هستند و به دلیل پایداری و قابلیت تنظیم رفتار الکتریکیشان ارزشمندند. اما تبدیل آنها به ابررسانا نیازمند تزریق چگالی بسیار بالایی از الکترونهای رسانش و در عین حال حفظ نظم اتمی شبکهٔ بلوری است؛ امری که معمولاً باعث تخریب ساختار یا ایجاد ناهنجاریهایی میشود که با دستگاههای کوانتومی سازگار نیستند.
در این پژوهش، دانشمندان با تزریق غلظتهای بسیار بالایی از گالیم— عنصر نرمتری که معمولاً برای تنظیم خواص نیمههادیها استفاده میشود—به ژرمانیوم، این مشکل را برطرف کردهاند. در حالی که دوپینگ در چنین غلظتهایی معمولاً باعث فروپاشی ساختار بلوری میشود، تیم پژوهشی از اپیتاکسی پرتوی مولکولی (MBE) استفاده کرد؛ روشی دقیق برای رشد لایههای بلوری نازک که در آن اتمهای گالیم بهطور کنترلشده در جای اتمهای ژرمانیوم قرار میگیرند. اندازهگیریهای پیشرفتهٔ پرتو X نشان داد که اگرچه بلور کمی دچار تغییر شکل میشود، اما همچنان پایدار باقی میماند و قادر است جفتشدن الکترونها و در نتیجه ابررسانایی را در دمای ۳٫۵ کلوین (حدود ۴۵۳- درجهٔ فارنهایت) پشتیبانی کند.
به گفتهٔ جواد شبانی، فیزیکدان دانشگاه نیویورک، دستیابی به ابررسانایی در مادهای که هماکنون جزء اصلی تراشهها و ارتباطات فیبر نوری است، میتواند «دهها فناوری صنعتی و محصولات مصرفی را دگرگون کند». سازگاری ژرمانیوم ابررسانا یا «سوپر-ژرمانیوم» با روشهای رایج ساخت نیمهرساناها، راهی بالقوه برای مدارهای کوانتومی مقیاسپذیر، الکترونیکهای کممصرف در دماهای پایین و حسگرهای فوقحساس فراهم میکند.
پژوهشگران همچنین با ساخت میلیونها پیوند جوزفسون—اجزای کلیدی پردازندههای کوانتومی ابررسانا—در مقیاس ویفر، قابلیت تولید انبوه این فناوری را نشان دادند. قرارگیری لایههای ابررسانا و نیمهرسانا از یک خانوادهٔ بلوری واحد، میتواند معماری دستگاههای کوانتومی را سادهتر کرده و نقصهایی را که به همدوسی کوانتومی آسیب میزنند، کاهش دهد.
این مطالعه با نشاندادن اینکه اصلاح ساختار بلوری عناصر گروه IV میتواند به ظهور ابررسانایی منجر شود، نقشهٔ راهی جدید برای توسعهٔ پلتفرمهای ترکیبی نیمهرسانا–ابررسانا ارائه میدهد. بخشی از بودجهٔ این پروژه توسط ادارهٔ تحقیقات علمی نیروی هوایی آمریکا تأمین شده است.
منابع:
[2] https://www.nature.com/articles/s41565-025-02042-8
[3] https://thequantuminsider.com/2025/11/28/superconducting-germanium-study/
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
