كيف جعل العلماء أشباه الموصلات فائقة التوصيل

قيود التوصيل الفائق

كانت الكهرباء واحدة من أكثر التقنيات تحولاً في التاريخ، حيث سمحت بنقل شكل مفيد جداً من الطاقة عبر مسافات طويلة. لكن كل نظام كهربائي “عادي” يواجه مقاومة كهربائية، مما ينتج عنه توليد حرارة عند تطبيق التيار الكهربائي.

هناك بديل موجود: المواد الفائقة التوصيل. تتميز المواد الفائقة التوصيل بعدم وجود مقاومة كهربائية، مما يسمح بمرور تيارات قوية للغاية دون توليد حرارة.

بدون التوصيل الفائق، لا يمكن تحقيق العديد من التقنيات الحديثة، بما في ذلك مسارعات الجسيمات (على سبيل المثال، CERN)، التصوير بالرنين المغناطيسي (maglev trains)، وقطارات المغناطيسية (maglev trains).

سيكون التوصيل الفائق مكوّنًا حاسمًا في أكثر المشاريع الضخمة والابتكارات التقنية واعدة، مثل ITER والاندماج النووي (nuclear fusion)، ومحركات الكتلة (mass drivers)، والحواسيب الكمومية (quantum computers)، إلخ.

يمكن أن تكون خطوط الطاقة الكهربائية بدون خسارة أيضًا حاسمة في تطوير وصلات شبكة فائقة الطول، مما يساعد على موازنة إنتاج الطاقة المتجددة عبر ظروف الطقس ومناطق الزمن، وحل بعض قيود الطاقة الشمسية والرياح.

مع ذلك، تم إتقان التوصيل الفائق حتى الآن فقط للمواد التي تُظهره عند درجات حرارة منخفضة للغاية، قليلةً فوق الصفر المطلق. أو تحت ضغط مرتفع جدًا. أو كلاهما.

هذا يجعلها ليست معقدة فقط للتطبيقات الأكثر طلبًا (مثل المغناطيسية، MRI، إلخ) بل أيضًا مكلفة للغاية، مما يجعلها غير اقتصادية للعديد من التطبيقات التي قد تستفيد من المواد الفائقة التوصيل على نطاق واسع.

مسارات متعددة إلى التوصيل الفائق

يبدو الآن أن المادة التي تُنتج تحت ضغط عالٍ قد تكون قادرة على الاحتفاظ ببعض خصائصها الفائقة التوصيل عند ضغط أقل من خلال طريقة تجريبية تسمى بروتوكول الإخماد بالضغط (PQP).

مؤخرًا، ظهر أن الطبقة الملتوية من WSe₂ (التنغستن السيليني) قد تكون مرشحًا جيدًا للمواد الفائقة التوصيل ذات درجة حرارة أعلى.

فئة جديدة أخرى من الموصلات الفائقة المحتملة، النيكلات ذات الطبقتين، قد أضيفت إلى القائمة هذا العام أيضًا.

مع ذلك، جميع هذه المواد لا تزال جديدة ونادرة، مما يجعلها بعيدًا عن الإنتاج الضخم والنشر على نطاق واسع.

يمكن أن يتغير هذا بفضل الاكتشاف الذي يوضح أن أشباه الموصلات القائمة على الجرمانيوم يمكن تحويلها إلى موصلات فائقة. أُجريت هذه الأبحاث بواسطة علماء من جامعة كوينزلاند (أستراليا)، جامعة نيويورك، ETH Zürich (سويسرا)، وجامعة ولاية أوهايو، ونُشرت نتائجهم في مجلة Nature Nanotechnology¹ تحت عنوان “Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films”.

من أشباه الموصلات إلى الفائقة التوصيل

أشباه الموصلات القائمة على الجرمانيوم

الجرمانيوم والسيليكون كلاهما من العناصر المعروفة بالمجموعة الرابعة، ذات هياكل بلورية شبيهة بالماس. تجعل هذه البنية البلورية لهما سلوكًا يقع بين المعدن (موصل للكهرباء) والعازل (غير موصل)، مما يجعلهما مفيدين لإنتاج أشباه الموصلات.

إنتاج أشباه الموصلات القائمة على الجرمانيوم مفهوم جيدًا بالفعل ويتم على نطاق واسع لأجهزة إلكترونية وبصرية مختلفة. في الواقعكان أحد أول المواد المستخدمة في الثنائيات والترانزستورات، وتم استبداله بالسيليكون فقط بفضل تكلفته المنخفضة والاستقرار الحراري المتفوق.

اليوم، يُعد الجرمانيوم، الذي يُعد حيويًا للإلكترونيات والبصريات تحت الحمراء، بما في ذلك المستشعرات على الصواريخ والأقمار الصناعية الدفاعية، يُنتج في الغالب من مناجم الزنك والموليبدينوم.

لإنشاء التوصيل الفائق، تحتاج الإلكترونات إلى التزاوج، مما يسمح لها بالتحرك عبر المادة دون مقاومة.

في عام 2023 بالفعل، تم العثور على مرحلة فائقة التوصيل في أفلام الجرمانيوم، وهو عمل أجره الباحثون المسؤولون عن هذا الاكتشاف الأخير، حيث قاموا بدوبلج مادة الغاليوم مع الجرمانيوم.

المصدر: ResearchGate

“هذا يعمل لأن عناصر المجموعة الرابعة لا تُظهر توصيلًا فائقًا طبيعيًا تحت الظروف العادية، لكن تعديل بنية بلورتها يتيح تكوين أزواج إلكترونية تسمح بالتوصيل الفائق.”

جواد شباني – مدير مركز المعلومات الكمومية بجامعة نيويورك.

إمكانات التوسيع

بينما أثبتت المحاولات السابقة لإنشاء سلوك فائق التوصيل في أشباه الموصلات مثل الجرمانيوم والسيليكون الفكرة، إلا أنها واجهت صعوبة في بناءها على نطاق واسع.

كانت المشكلات الرئيسية هي الحفاظ على البنية الذرية مع خصائص توصيل مناسبة. عادةً، مستويات الغاليوم العالية تُزعزع البلورة، مما يمنع التوصيل الفائق.

مع ذلك، تُعد هذه فكرة واعدة، حيث إن تصنيع أشباه الموصلات القائمة على الجرمانيوم تقنية مفهومة جيدًا، مع توافر الكثير من المعدات الجاهزة للاستخدام.

“الجرمانيوم هو بالفعل مادة أساسية لتقنيات أشباه الموصلات المتقدمة، لذا بإظهار أنه يمكن أن يصبح فائق التوصيل تحت ظروف نمو مُتحكم فيها، هناك الآن إمكانات لأجهزة كمية قابلة للتصنيع على نطاق واسع.”

د. بيتر جاكوبسون – باحث في جامعة كوينزلاند

طريقة إنتاج جديدة

تحاول معظم طرق الدوبلج إدخال الأيونات إلى المادة، لكن ذلك يؤدي إلى نتائج غير منتظمة. بينما قد يكون ذلك كافيًا لتحسين أداء أشباه الموصلات، إلا أنه غير دقيق بما يكفي لإحداث التوصيل الفائق.

بدلاً من ذلك، استخدم الباحثون تقنية تسمى molecular beam epitaxy (MBE). يوجه حزمًا من المصادر الذرية أو الجزيئية إلى ركيزة مُسخنة في بيئة فراغ فائق العالي (UHV).

المصدر: ExplainThatStuff

هذا يمنح تحكمًا دقيقًا في التركيب والسماكة والدوبلج للفيلم النامي.

“بدلاً من غرس الأيونات، استُخدم النمو البلوري بطبقة شعاعية جزيئية (MBE) لإدماج ذرات الغاليوم بدقة داخل شبكة الجرمانيوم البلورية.

استخدام الإبيتاكسيا – نمو طبقات بلورية رقيقة – يعني أننا يمكننا أخيرًا تحقيق الدقة الهيكلية اللازمة لفهم والتحكم في كيفية ظهور التوصيل الفائق في هذه المواد.”

د. جوليان ستيل – باحث في جامعة كوينزلاند

عند استخدام امتصاص الأشعة السينية القائم على المصادم، وجد الباحثون أن شوائب الغاليوم تُدمج داخل شبكة الجرمانيوم، مُحدثة تشوهًا رباعي الزوايا في وحدة الخلية البلورية.

المصدر: Nature Nanotechnology

هذا الترتيب البنيوي يخلق نطاقًا إلكترونيًا ضيقًا لظهور التوصيل الفائق في الجرمانيوم.

المصدر: Nature Nanotechnology

الأهم من ذلك، أن هذه الطريقة يمكن أن تعمل على مستوى الرقاقة، وهو نفس الأسلوب المستخدم في الإنتاج الضخم للرقائق الإلكترونية.

المصدر: WaferWorld

“أكد هذا العمل النظري أن ذرات الغاليوم تستبدل بدقة داخل شبكة الجرمانيوم، مُنشئةً الظروف الإلكترونية للتوصيل الفائق.

إنه مثال أنيق على كيفية تمكين الحوسبة والتجربة معًا من حل مشكلة تحدت علم المواد لأكثر من نصف قرن.”

د. كارلا فيردي – باحثة في جامعة كوينزلاند

التطبيقات

التوصيل الفائق الذي تُنتجه هذه الطريقة ليس توصيلًا فائقًا في درجة حرارة الغرفة، إذ يتطلب درجات حرارة منخفضة تصل إلى 3.5°K (-269°C / -453°F)، وهو ظاهرة لا تزال تتفلت من علم المواد.

مع ذلك، فإن سهولة إنتاجه باستخدام آلات مُعتمدة ومُستخدمة في صناعة أشباه الموصلات قد تُغيّر جذريًا طريقة تصنيع الرقائق الفائقة التوصيل.

وبالتالي، قد تُغيّر هذه الطريقة جذريًا طريقة إنتاج المواد لأجهزة الحوسبة الكمومية. على الأرجح، بدلاً من مادة فائقة التوصيل المكلفة، قد يستخدم الحاسوب الكمومي المستقبلي مجرد رقاقة جرمانيوم-غاليوم “عادية”، تُحوَّل إلى فائقة التوصيل في نقاط محددة من الرقاقة.

“هذه المواد تفتح مسارًا لعصر جديد من الأجهزة الكمومية الهجينة ويمكن أن تدعم دوائر كمومية مستقبلية، ومستشعرات، وإلكترونيات منخفضة الطاقة في درجات حرارة منخفضة، جميعها تحتاج إلى واجهات نظيفة بين المناطق الفائقة التوصيل وأشباه الموصلات.”

د. بيتر جاكوبسون – باحث في جامعة كوينزلاند

اسحب للتمرير →

الاستثمار في تصنيع أشباه الموصلات

TSMC

إنتاج أشباه الموصلات هو صناعة يهيمن عليها الجمع بين خبرة متخصصة ومعقدة للغاية، والحاجة إلى الإنتاج الضخم لتقليل التكاليف.

لم تحقق أي شركة نجاحًا في إتقان هذا النموذج التجاري مثل TSMC، الشركة التايوانية الرائدة عالميًا في تصنيع الرقائق المتقدمة للغاية.

تنتج TSMC، بطبيعة الحال، معظم الرقائق السيليكونية، بما في ذلك أقوى رقاقة بعقدة 3 و2 نانومتر. وبما أنها تنتج أغلب الرقائق المتقدمة والمكلفة، فإنها تتحكم بأكثر من نصف إيرادات صناعة المصانع المتخصصة في أشباه الموصلات على مستوى العالم.

المصدر: Eric Flaningam

تتطور TSMC اليوم لتبدأ في إنتاج رقاقة سيليكون في الولايات المتحدة، لا سيما من خلال استثمار هائل في مصانعها الجديدة بأريزونا.

مع ذلك، تُعد TSMC أيضًا خبيرة في الترانزستورات المتقدمة القائمة على الجرمانيوم وغيرها من أشباه الموصلات.

لذا بينما تقود الشركة معظم أرباحها الحالية من الرقائق المتقدمة وتصنيع أجهزة الذكاء الاصطناعي لشركات مثل Nvidia (NVDA ), قد تكون أيضًا واحدة من المستفيدين الرئيسيين من الاكتشاف الذي يُظهر أن طرق تصنيع أشباه الموصلات الشائعة يمكن أن تُنتج.

آخر أخبار وتطورات سهم TSMC (TSM)

الدراسة المشار إليها:

^{1. Steele, J.A., Strohbeen, P.J., Verdi, C. et al. Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02042-8}