Bilim adamları uzun süredir aynı zamanda süper iletken olan, bilgisayar çipleri ve güneş pillerindeki hayati bileşenler olan yarı iletkenler üretmeyi, böylece hızlarını ve enerji verimliliğini artırmayı ve yeni kuantum teknolojilerini mümkün kılmayı hedefliyorlar. Bununla birlikte, silikon ve germanyum gibi yarı iletken malzemelerde süperiletkenliğin elde edilmesi, istenen iletim davranışına sahip optimal atomik yapının sürdürülmesindeki zorluk nedeniyle zorlayıcı olmuştur.
Dergide yayınlanan bir makalede Doğa NanoteknolojisiUluslararası bir bilim insanları ekibi, süper iletken olan, elektriği sıfır dirençle iletebilen, akımların enerji kaybı olmadan süresiz olarak akmasına izin veren ve daha az enerji gerektiren daha yüksek çalışma hızına yol açan bir tür germanyum ürettiğini bildirdi.
Makalenin yazarlarından biri olan NYU Kuantum Bilgi Fiziği Merkezi ve üniversitenin yeni kurulan Kuantum Enstitüsü direktörü New York Üniversitesi fizikçisi Javad Shabani, “Bilgisayar çipleri ve fiber optiklerde yaygın olarak kullanılan germanyumda süper iletkenlik oluşturmak, çok sayıda tüketici ürününde ve endüstriyel teknolojide potansiyel olarak devrim yaratabilir” diyor.
Queensland Üniversitesi’nden fizikçi ve makalenin yazarlarından biri olan Peter Jacobson, “Bu malzemeler, hepsi süper iletken ve yarı iletken bölgeler arasında temiz arayüzlere ihtiyaç duyan gelecekteki kuantum devrelerini, sensörlerini ve düşük güçlü kriyojenik elektronikleri destekleyebilir” diye ekliyor.
“Almanyum zaten gelişmiş yarı iletken teknolojileri için güçlü bir malzemedir, bu nedenle kontrollü büyüme koşulları altında süper iletken olabileceğini göstererek artık ölçeklenebilir, dökümhaneye hazır kuantum cihazları için potansiyel var.”
Her ikisi de elmas benzeri kristaller olan germanyum ve silikon gibi yarı iletken malzemeler, elektronik davranışları metallerin ve yalıtkanların arasında yer alan grup IV elementlerdir. Bu malzemeler esneklikleri ve dayanıklılıkları nedeniyle imalatta faydalıdır.
Bu elementlerde süperiletkenliğin elde edilmesi, çok sayıda iletken elektronun eklenmesi için yapılarının manipüle edilmesiyle gerçekleştirilir. Bu elektronlar, birbirleriyle eşleşmek ve direnç olmadan hareket etmek için germanyum kristaliyle etkileşime girer; bu, tarihsel olarak atomik düzeyde kontrol edilmesi zor olan bir süreçtir.
Yeni çalışmalarında bilim insanları, elektronikte de yaygın olarak kullanılan daha yumuşak bir element olan galyumla yoğun şekilde aşılanmış germanyum filmleri oluşturdular. Genel olarak “doping” olarak bilinen bu köklü süreç, bir yarı iletkenin elektriksel özelliklerini değiştirir; ancak yüksek galyum seviyelerinde, malzeme genellikle kararsız hale gelir ve kristalin bozulmasına ve süperiletkenliğin olmamasına yol açar.
Bununla birlikte, yeni bildirilen sonuçlarda, ileri X-ışını tekniklerini kullanan bilim insanları, galyum atomlarını kristal içindeki germanyum atomlarının yerini normalden yüksek seviyelerde almaya zorlayan yeni bir teknik ortaya koyuyorlar. Bu işlem kristalin şeklini hafifçe deforme eder, ancak yine de 3,5 Kelvin’de (veya yaklaşık -453 Fahrenheit derece) sıfır dirençle elektriği iletebilen kararlı bir yapıyı korur ve böylece süper iletken hale gelir.
Queensland Üniversitesi’nden fizikçi ve makalenin yazarlarından biri olan Julian Steele, “İyon implantasyonu yerine, galyum atomlarını germanyumun kristal kafesine hassas bir şekilde dahil etmek için moleküler ışın epitaksisi kullanıldı” diyor. “Epitaksiyi (büyüyen ince kristal katmanları) kullanmak, bu malzemelerde süperiletkenliğin nasıl ortaya çıktığını anlamak ve kontrol etmek için gereken yapısal hassasiyeti nihayet elde edebileceğimiz anlamına geliyor.”
Shabani, “Bu işe yarıyor çünkü grup IV elementleri normal koşullar altında doğal olarak süper iletkenlik göstermiyor, ancak kristal yapılarını değiştirmek süper iletkenliğe izin veren elektron çiftlerinin oluşumunu mümkün kılıyor” diye gözlemliyor Shabani.
