Hvordan forskere gjorde halvledere superledende

Begrænsninger for superledning

Elektricitet har været en af historiens mest omvæltende teknologier, fordi den gør det muligt at overføre en meget nyttig energiform over lange afstande. Men ethvert ”normalt” elektrisk system møder elektrisk modstand, som udvikler varme, når der løber strøm.

Et alternativ findes: superledende materialer. Superledende materialer har nul elektrisk modstand, hvilket gør det muligt for ekstremt kraftige strømme at flyde uden at generere varme.

Uden superledning ville mange moderne teknologier ikke være mulige, herunder partikelacceleratorer (for eksempel CERN), MR‑scannere og maglev‑tog.

Superledning vil blive en afgørende komponent i de mest lovende megaprojekter og teknologiske innovationer, som ITER og kernefusion, masse‑drivere, kvantecomputere, osv.

Strømlinjer uden tab kunne også være afgørende for at udvikle ultra‑lange netværksforbindelser, hjælpe med at udjævne produktionen af vedvarende energi over vejrforhold og tidszoner, og løse nogle af begrænsningerne ved sol‑ og vindenergi.

Dog er superledning indtil nu kun mestret for materialer, der udviser den ved ultra‑lave temperaturer, kun få grader over det absolutte nulpunkt. Eller ved ekstremt højt tryk. Eller begge dele.

Det gør teknologien både for kompleks til andet end de mest krævende anvendelser – eksempelvis maglev og MR – og meget dyr. Derfor er storstilet brug af superledende materialer urentabel i mange anvendelser, som ellers kunne have gavn af dem.

Mange veje til superledning

Det ser nu ud til, at et materiale fremstillet under højt tryk kan bevare en del af sin superledning ved lavere tryk gennem en eksperimentel metode kaldet pressure-quench-protokollen (PQP).

For nylig viste et snoet dobbeltlag af WSe₂ (wolframselenid) sig også som en lovende kandidat til superledning ved højere temperaturer.

Endnu en ny klasse af mulige superledere, dobbeltlags-nikkelater, kan også være blevet føjet til listen i år.

Alle disse materialer er dog relativt nye og eksotiske, så de er stadig langt fra masseproduktion og udbredelse i stor skala.

Det kan ændre sig efter opdagelsen af, at germaniumbaserede halvledere kan omdannes til superledere. Forskningen blev udført af forskere ved University of Queensland (Australien), New York University, ETH Zürich (Schweiz) og Ohio State University. Resultaterne blev offentliggjort i Nature Nanotechnology¹ under titlen “Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films”.

Fra halvledere til superledere

Germanium-halvledere

Germanium og silicium er begge såkaldte gruppe IV-grundstoffer med diamantlignende krystalstrukturer. Strukturen får dem til at opføre sig som en mellemting mellem et elektrisk ledende metal og en isolator, hvilket gør dem velegnede til halvlederproduktion.

Germanium semiconductor production is already well understood and performed at scale for various electronic and optical devices. Det var faktisk et af de første materialer, der blev brugt til dioder og transistorer, og det blev kun erstattet af silicium takket være de lavere omkostninger og overlegen termisk stabilitet.

I dag udvindes germanium, som er afgørende for elektronik og infrarød optik – herunder sensorer i missiler og forsvarssatellitter – hovedsageligt fra zink- og molybdænminer.

For at skabe superledning skal elektroner danne par, så de kan bevæge sig gennem materialet uden modstand.

Allerede i 2023 blev der fundet en superledende fase i germaniumfilm. Arbejdet blev udført af forskerne bag den nye opdagelse ved at dope germanium med gallium.

Kilde: ResearchGate

”Det virker, fordi gruppe IV-grundstoffer ikke er naturligt superledende under normale forhold, men en ændring af deres krystalstruktur gør det muligt at danne elektronpar, som muliggør superledning.”

Javad Shabani – direktør for NYU’s Center of Quantum Information Physics.

Skaleringspotentiale

Tidligere forsøg på at skabe superledende egenskaber i halvledere som germanium og silicium demonstrerede princippet, men kunne ikke skaleres.

Hovedproblemet var at bevare atomstrukturen med de rette ledningsegenskaber. Normalt destabiliserer høje koncentrationer af gallium krystallen og forhindrer superledning.

Alligevel er idéen lovende, fordi fremstilling af germaniumhalvledere er en velkendt teknologi, og der allerede findes meget produktionsudstyr.

”Germanium er allerede et arbejdsmateriale i avanceret halvlederteknologi. Ved at vise, at det også kan blive superledende under kontrollerede vækstbetingelser, opstår der nu mulighed for skalerbare kvanteenheder, der er klar til chipfabrikker.”

Dr. Peter Jacobson – forsker ved University of Queensland

Ny produktionsmetode

De fleste doteringsmetoder forsøger at indføre ioner i materialet, men giver ret ujævne resultater. Det kan være nok til at forbedre en halvleders ydeevne, men er for upræcist til at fremkalde superledning.

I stedet brugte forskerne en teknik kaldet molekylærstråleepitaksi (MBE). Den retter stråler af atomare eller molekylære kilder mod et opvarmet substrat i et ultrahøjt vakuum (UHV).

Kilde: ExplainThatStuff

Det giver præcis kontrol over den voksende films sammensætning, tykkelse og dotering.

”I stedet for ionimplantation blev molekylærstråleepitaksi (MBE) brugt til præcist at indbygge galliumatomer i germaniums krystalgitter.

Epitaksi – vækst af tynde krystallag – betyder, at vi endelig kan opnå den strukturelle præcision, der kræves for at forstå og styre, hvordan superledning opstår i disse materialer.”

Dr. Julian Steele – forsker ved University of Queensland

Ved synkrotronbaseret røntgenabsorption fandt forskerne, at galliumdopanter indbygges i germaniumgitteret og skaber en tetragonal forvrængning af krystallens enhedscelle.

Kilde: Nature Nanotechnology

Denne strukturelle orden skaber et smalt elektronisk bånd, hvor superledning kan opstå i germanium.

Kilde: Nature Nanotechnology

Endnu vigtigere kan metoden fungere på waferniveau med de samme processer, som bruges til masseproduktion af elektronikchips.

Kilde: WaferWorld

”Det teoretiske arbejde bekræftede, at galliumatomer erstatter atomer regelmæssigt i germaniumgitteret og skaber de elektroniske betingelser for superledning.

Det er et elegant eksempel på, hvordan beregninger og eksperimenter sammen kan løse et problem, der har udfordret materialevidenskaben i mere end et halvt århundrede.”

Dr. Carla Verdi – forsker ved University of Queensland

Anvendelser

Den superledning, metoden skaber, forekommer ikke ved stuetemperatur. Den kræver temperaturer helt ned til 3,5 K (-269 °C / -453 °F), og stuetemperatursuperledning unddrager sig stadig materialevidenskaben.

Den enkle produktion med velafprøvede maskiner fra halvlederindustrien kan dog ændre fremstillingen af superledende chips radikalt.

Det kan igen ændre produktionen af materialer til kvantecomputere radikalt. I stedet for et dyrt superledende materiale kan en fremtidig kvantecomputer muligvis bruge en ”normal” gallium-germaniumwafer, som kun gøres superledende på bestemte steder i chippen.

”Disse materialer åbner vejen for en ny æra med hybride kvanteenheder og kan danne grundlag for fremtidige kvantekredsløb, sensorer og energibesparende kryogen elektronik, som alle kræver rene grænseflader mellem superledende og halvledende områder.”

Dr. Peter Jacobson – forsker ved University of Queensland

Stryg for at rulle →

Investering i fremstilling af halvledere

TSMC

Halvlederproduktion er en branche, der både kræver meget specialiseret og kompleks ekspertise og masseproduktion i stor skala for at reducere omkostningerne.

Ingen virksomhed har mestret denne forretningsmodel så godt som TSMC, den taiwanske verdensleder inden for fremstilling af ultramoderne chips.

TSMC producerer hovedsageligt siliciumchips, herunder de kraftigste chips med 3- og 2-nanometerknudepunkter. Fordi virksomheden især fremstiller de mest avancerede og dyre chips, står den for mere end halvdelen af den globale omsætning i halvleder-foundryindustrien.

Kilde: Eric Flaningam

TSMC udvider nu produktionen af siliciumchips i USA, blandt andet gennem en massiv investering i nye fabrikker i Arizona.

TSMC har desuden ekspertise i avancerede germaniumbaserede transistorer og andre halvledere.

Selv om virksomheden i dag primært tjener penge på avancerede chips og AI-hardware til blandt andre Nvidia (NVDA ), kan den også blive en af de største vindere på opdagelsen af, at almindelige fremstillingsmetoder til halvledere kan producere superledere.

Seneste TSMC (TSM) aktienyheder og udviklinger

Studie refereret:

^{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}