У цифрову еру кремній посідає панівне становище у виробництві електронних пристроїв. Однак, подібно до інших елементів, що знаходять широке застосування в індустрії, для оптимізації його електронних характеристик часто вносять домішки інших речовин – цей процес відомий як легування. Нині науковці вивели модифікацію матеріалів на якісно новий щабель, замінивши кожен восьмий атом у германії – напівпровідниковій речовині, що має схожість із кремнієм – на надпровідник галій. Таким чином, отриманий композит утворює принципово новий надпровідний матеріал, придатний для передових розробок, таких як квантові обчислення та високочутливі датчики.
Хоча кремній планується як наступний кандидат для подібних випробувань, германій вже широко застосовується в промисловості та демонструє високу сумісність з кремнієвими компонентами. Вчені оприлюднили свій новаторський підхід у нещодавній науковій публікації, що з’явилася 30 жовтня в престижному журналі “Nature Nanotechnology”. Джавад Шабані, професор фізики з Нью-Йоркського університету та один із співавторів цієї роботи, висловив щире захоплення, наголосивши на численних обґрунтованих причинах для оптимізму щодо цих знахідок.
Ідея достатнього легування напівпровідника для перетворення його на надпровідник вперше була висунута в 1964 році Марвіном Коеном, почесним професором Каліфорнійського університету в Берклі, який тоді працював у Чиказькому університеті. Ця концепція знову ожила у 2000-х та 2010-х роках, коли кілька наукових груп спробували бомбардувати кремній та германій надпровідними металами, аби з’ясувати, чи вдасться досягти теоретично передбаченої нової фази. Проте вони зіткнулися з серйозними перешкодами.
“При бомбардуванні фактично руйнується кристалічна решітка”, – пояснив Шабані. Він додав, що після цього необхідно нагрівати та “відпалювати” матеріал для подальших експериментів з надпровідності. Через це було незрозуміло, чи домішкові атоми просто утворювали острівці надпровідного матеріалу, чи дійсно утворювалася нова надпровідна фаза в бомбардованому елементі. Його команда навіть сама проводила подібні випробування, але вони, за його словами, лише “додавали до загадки”.
Метод, що дав надію
Прогрес нарешті настав, коли дослідники звернулися до техніки, відомої як молекулярно-променева епітаксія. Завдяки цьому методу вони створювали кристалічний шар германію послідовно, шар за шаром, піддаючи поверхню впливу атомів германію за ідеальних умов та концентрації атомів галію. Це дозволило одному атому галію замінити атом германію в кожній елементарній комірці кристала. Молекулярно-променева епітаксія – це складний метод нарощування надтонких кристалічних шарів з дуже високою точністю, який широко використовується у виробництві напівпровідникових приладів.
Шабані припустив, що його команда, ймовірно, не була єдиною, хто розглядав молекулярно-променеву епітаксію як можливий шлях. Однак попередні спроби були приглушені численними негативними припущеннями, що досягти необхідних рівнів легування фізично неможливо, виходячи з аналогій з межами розчинності. Наприклад, ви можете розчиняти все більше цукру у воді до певного моменту, але після досягнення межі розчинності розчин насичується, і цукор вже не розчиняється, а залишається у вигляді твердих грудок. Застосовуючи ці міркування до легування, можна було б припустити, що за певною межею домішка не буде рівномірно розподілятися, а збиватиметься у грудки.
Проте легування за допомогою молекулярно-променевої епітаксії – це зовсім інший процес: два матеріали наносяться разом. Тому він не обмежений жодними аналогами межі розчинності. “Ми просто розпорошуємо один матеріал на інший”, – сказав Шабані, додавши, що при цьому не порушуються жодні фізичні закони.
Щоб перевірити отримані зразки, Шабані та його команда відправили їх до своїх колег в Університет Квінсленда в Австралії для характеристики за допомогою їхнього сучасного обладнання. Джуліан Стіл, дослідник з Університету Квінсленда, який допомагав у експериментах з характеризації, зазначив, що зазвичай “необхідна точність” для характеристики цікавого надпровідного шару, похованого в основній масі германію, була б експериментально “недосяжною”. Університет Квінсленда – це один з провідних дослідницьких закладів Австралії, відомий своїми інноваціями в науці та технологіях.
“Це було щасливе поєднання добре визначених кристалічних шарів та дуже точних вимірювань, що працювали в тандемі, аби отримати дані з атомною точністю”, – повідомив Стіл Live Science у електронному листі. “Результат – беззаперечно чітка картина нового та захоплюючого квантового матеріалу”.
Дослідники також зафіксували, що температура надпровідного переходу становила 3,5 Кельвіна – це надзвичайно низька температура, лише трохи вище абсолютного нуля (теоретичної межі найнижчої можливої температури), але все ж вище 1 Кельвіна, необхідного для досягнення надпровідності в чистому галії. Галій – це рідкісний метал, відомий своєю здатністю бути надпровідником при наднизьких температурах. Як підкреслив Шабані, зазвичай очікується, що температура переходу буде навіть нижчою, ніж у “батьківського” надпровідника, в цьому випадку – галію. Це ставить інтригуючі питання щодо того, який з відомих механізмів надпровідності діє тут.
“Мені дуже приємно бачити продовження досліджень з успіхами в галузі надпровідності в легованих напівпровідниках, які я започаткував понад шістдесят років тому”, – зазначив Коен Live Science у електронному листі. “Я вважаю, що ще багато чого потрібно дізнатися про надпровідність через дослідження систем такого типу”.
Створення надійніших кубітів
Пітер Джейкобсон, дослідник з Університету Квінсленда, який також допомагав у експериментах з характеризації, був особливо вражений тим, “наскільки чітко проявилися спотворення”.
Він вказав, що відстань між атомами в площині кожного нанесеного кристалічного шару залишилася практично незмінною від вихідного шару чистого германію. Проте відстань перпендикулярно до цієї площини дещо збільшилася, що цілком очікувано для розміщення трохи більших атомів галію. “Таке чітке спостереження цієї поведінки є вагомою ознакою того, наскільки мало порушень порядку присутнє в цих плівках”.
Цей низький рівень неупорядкованості є позитивною новиною для тих, хто прагне “вирощувати” чергуючі шари напівпровідникових та надпровідних матеріалів – що раніше було неможливим. Це значно збільшує щільність пристроїв, яку можна досягти на одній пластині, оскільки це дозволяє будувати тривимірні стопки. Шабані наводить приклад переходу Джозефсона – з’єднання, що складається з ненадпровідного матеріалу, затиснутого між двома надпровідниками. Ці переходи можуть використовуватися в квантових сенсорах та як кубіти в квантових комп’ютерах.
“На одній пластині можна розмістити 25 мільйонів таких пристроїв”, – сказав він. Він зазначив, що нині кожен перехід Джозефсона має розмір близько міліметра, і додав: “Кожен з них може бути кубітом. Це може бути піксель сенсора, так?”
Кубіт – це основна одиниця інформації в квантових обчисленнях, здатна існувати в кількох станах одночасно, на відміну від класичного біта.
Переходи Джозефсона (Josephson junctions) – це квантові пристрої, що складаються з двох надпровідників, розділених тонким ненадпровідним бар’єром. Вони є фундаментальними елементами для побудови надпровідних квантових комп’ютерів та високочутливих магнітометрів.
Точне дотримання регулярного кристалічного порядку може мати додаткові переваги для захисту надпровідних кубітів від “декогеренції”. Декогеренція – це явище, коли кубіти втрачають свою здатність одночасно утримувати кілька значень і переходять у певний стан, по суті, реагуючи як класичний біт без переваг квантової поведінки. Це справжня проблема в прагненні до створення квантових комп’ютерів. Вважається, що частина цієї декогеренції може бути пов’язана з аморфними характеристиками використовуваних матеріалів. Подальші експерименти будуть потрібні для перевірки, але поліпшена кристалічність цих структур германію, легованих галієм за допомогою молекулярно-променевої епітаксії, може допомогти кубітам бути стійкішими до декогеренції.
Цілком зрозуміла потенційна перевага використання існуючих методів виробництва для створення германієвих та кремнієвих напівпровідникових процесорів і пристроїв. “Ви маєте трильйонну кремнієво-германієву інфраструктуру, яка тепер може використовувати надпровідність як новий елемент у своєму арсеналі”, – сказав Шабані. “Це може дійсно допомогти твердотільним квантовим обчисленням – часові рамки можуть значно скоротитися”.
