Wie Wissenschaftler Halbleiter supraleitend machten

Grenzen der Supraleitung

Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every “normal” electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.

Eine Alternative existiert: supraleitende Materialien. Supraleitende Materialien besitzen keinen elektrischen Widerstand, sodass extrem starke Ströme fließen können, ohne Wärme zu erzeugen.

Ohne Supraleitung wäre vieles moderne Technologie nicht möglich, darunter Teilchenbeschleuniger (zum Beispiel CERN), MRT und Magnetschwebebahnen.

Supraleitung wird ein entscheidender Bestandteil der vielversprechendsten Megaprojekte und technologischen Innovationen sein, wie ITER und Kernfusion, Massenantriebe, Quantencomputer, usw.

Stromleitungen ohne Verluste könnten ebenfalls entscheidend sein, um ultra‑lange Netzanbindungen zu entwickeln, die Produktion erneuerbarer Energien über Wetterbedingungen und Zeitzonen hinweg zu puffern und einige der Einschränkungen von Solar‑ und Windenergie zu lösen.

Allerdings wurde Supraleitung bisher nur für Materialien beherrscht, die sie bei ultra‑niedrigen Temperaturen zeigen, nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt. Oder bei extrem hohem Druck. Oder beides.

Das macht sie nicht nur zu komplex für alle außer den anspruchsvollsten Anwendungen (Magnetschwebe, MRT usw.), sondern auch sehr teuer, sodass sie für viele Anwendungen, die von supraleitenden Materialien im großen Maßstab profitieren könnten, unwirtschaftlich ist.

Viele Wege zur Supraleitung

Es scheint nun, dass das unter hohem Druck hergestellte Material einen Teil seiner Supraleitung bei niedrigerem Druck behalten könnte durch ein experimentelles Verfahren namens Pressure‑Quench‑Protokoll (PQP).

Kürzlich erschien die verdrehte Bilayer von WSe₂ (Wolfram‑Selen) auch als vielversprechender Materialkandidat für Hochtemperatur‑Supraleiter.

Eine weitere neue Klasse potenzieller Supraleiter, Bilayer‑Nickelate, könnte dieses Jahr ebenfalls zur Liste hinzugefügt worden sein.

Dennoch sind all diese Materialien relativ neu und exotisch, sodass sie noch weit von einer Massenproduktion und dem großflächigen Einsatz entfernt sind.

Dies könnte sich ändern, dank der Entdeckung, dass germaniumbasierte Halbleiter in Supraleiter umgewandelt werden können. Diese Forschung wurde von Wissenschaftlern der University of Queensland (Australien), der New York University, der ETH Zürich (Schweiz) und der Ohio State University durchgeführt, die ihre Ergebnisse in Nature Nanotechnology¹ veröffentlichten, unter dem Titel „Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films“.

Von Halbleitern zu Supraleitern

Germanium‑Halbleiter

Germanium und Silizium sind beide sogenannte Gruppe‑IV‑Elemente mit diamantähnlichen Kristallstrukturen. Diese Kristallstruktur lässt sie sich zwischen einem Metall (leitfähig) und einem Isolator (nicht leitfähig) verhalten, was sie für die Halbleiterproduktion nützlich macht.

Germanium semiconductor production is already well understood and performed at scale for various electronic and optical devices. Tatsächlich war es eines der ersten Materialien, die für Dioden und Transistoren verwendet wurden, und wurde nur durch Silizium ersetzt, dank seiner geringeren Kosten und überlegenen thermischen Stabilität.

Heute wird Germanium, das für Elektronik und Infrarotoptik, einschließlich Sensoren auf Raketen und Verteidigungssatelliten, entscheidend ist, hauptsächlich aus Zink‑ und Molybdänminen gewonnen.

Um Supraleitung zu erzeugen, müssen sich Elektronen paaren, sodass sie sich ohne Widerstand durch das Material bewegen können.

Bereits 2023 wurde eine supraleitende Phase in Germanium‑Filmen gefunden, eine Arbeit, die von den Forschern durchgeführt wurde, die für diese neueste Entdeckung verantwortlich sind, indem sie Gallium in Germanium dotierten.

Source: ResearchGate

“„Das funktioniert, weil Gruppe‑IV‑Elemente unter normalen Bedingungen nicht natürlich supraleiten, aber die Modifikation ihrer Kristallstruktur die Bildung von Elektronenpaarungen ermöglicht, die Supraleitung erlauben.“”

Javad Shabani – Direktor des NYU Center for Quantum Information Physics.

Skalierungspotenzial

Während frühere Versuche, supraleitendes Verhalten in Halbleitern wie Germanium und Silizium zu erzeugen, das Konzept bewiesen, hatten sie Schwierigkeiten, es im großen Maßstab umzusetzen.

Die Hauptprobleme bestanden darin, die atomare Struktur mit geeigneten Leitungseigenschaften zu erhalten. Normalerweise destabilisieren hohe Galliumkonzentrationen den Kristall und verhindern Supraleitung.

Dennoch ist dies eine vielversprechende Idee, da die Herstellung von Germanium‑Halbleitern eine sehr gut verstandene Technologie ist, mit viel vorhandener Ausrüstung, die einsatzbereit ist.

„Germanium ist bereits ein Arbeitspferd‑Material für fortschrittliche Halbleitertechnologien, sodass durch die Demonstration, dass es unter kontrollierten Wachstumsbedingungen ebenfalls supraleitend werden kann, nun das Potenzial für skalierbare, fab‑bereite Quantenbauelemente besteht.“

Dr. Peter Jacobson – Forscher an der University of Queensland

Neue Produktionsmethode

Die meisten Dotiermethoden versuchen, die Ionen in das Material zu implementieren, führen jedoch zu eher unregelmäßigen Ergebnissen. Während das ausreichen kann, um die Halbleiterleistung zu verbessern, ist es zu ungenau, um Supraleitung zu induzieren.

Stattdessen verwendeten die Forscher eine Technik namens molecular beam epitaxy (MBE). Sie richtet Strahlen atomarer oder molekularer Quellen auf ein erhitztes Substrat in einer ultra‑hoch‑Vakuum‑Umgebung (UHV).

Source: ExplainThatStuff

Dies ermöglicht eine präzise Kontrolle über Zusammensetzung, Dicke und Dotierung des wachsenden Films.

„Statt Ionenimplantation wurde molecular beam epitaxy (MBE) verwendet, um Gallium‑Atome präzise in das Germanium‑Kristallgitter zu integrieren.

Durch die Verwendung von Epitaxie – dem Wachstum dünner Kristallschichten – können wir endlich die strukturelle Präzision erreichen, die nötig ist, um zu verstehen und zu steuern, wie Supraleitung in diesen Materialien entsteht.“

Dr. Julian Steele – Forscher an der University of Queensland

Bei der Verwendung von synchrotronbasierter Röntgenabsorption stellten die Forscher fest, dass Gallium‑Dotierstoffe in das Germanium‑Gitter eingebaut werden und eine tetragonale Verzerrung der Kristallzelle einführen.

Source: Nature Nanotechnology

Diese strukturelle Ordnung erzeugt ein schmales elektronisches Band für das Auftreten von Supraleitung in Ge.

Source: Nature Nanotechnology

Noch wichtiger ist, dass diese Methode auf Wafer‑Ebene funktionieren kann, dieselben Verfahren, die zur Massenproduktion von Elektronikchips verwendet werden.

Source: WaferWorld

„Diese theoretische Arbeit bestätigte, dass Gallium‑Atome sauber in das Germanium‑Gitter substituieren und die elektronischen Bedingungen für Supraleitung schaffen.

Es ist ein elegantes Beispiel dafür, wie Berechnung und Experiment zusammen ein Problem lösen können, das die Materialwissenschaften seit mehr als einem halben Jahrhundert herausfordert.“

Dr. Carla Verdi – Forscherin an der University of Queensland

Anwendungen

Die Supraleitung, die diese Methode erzeugt, ist keine Raumtemperatur‑Supraleitung, da sie Temperaturen von bis zu 3,5 K (-269 °C / -453 °F) erfordert, ein Phänomen, das die Materialwissenschaft noch immer entzieht.

Dennoch könnte die einfache Herstellung, unter Verwendung der gut etablierten Maschinen der Halbleiterindustrie, die Art und Weise, wie supraleitende Chips hergestellt werden, radikal verändern.

Damit könnte wiederum die Herstellung von Materialien für Quantencomputer radikal verändert werden. Höchstwahrscheinlich könnte ein zukünftiger Quantencomputer anstelle teurer supraleitender Materialien einfach einen „normalen“ Gallium‑Germanium‑Halbleiterwafer verwenden, der an bestimmten Stellen des Chips supraleitend gemacht wird.

„Diese Materialien eröffnen einen Weg für eine neue Ära hybrider Quantenbauelemente und könnten zukünftige Quanten‑Schaltkreise, Sensoren und energiearme kryogene Elektronik unterstützen, die alle saubere Schnittstellen zwischen supraleitenden und halbleitenden Bereichen benötigen.“

Dr. Peter Jacobson – Forscher an der University of Queensland

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Investitionen in die Halbleiterfertigung

TSMC

Die Halbleiterproduktion ist eine Branche, die von einer Kombination aus sehr spezialisiertem und komplexem Fachwissen sowie dem Bedarf an Massenproduktion im großen Maßstab zur Kostensenkung dominiert wird.

Kein Unternehmen war bisher so erfolgreich darin, dieses Geschäftsmodell zu beherrschen wie TSMC, das taiwanesische Unternehmen, das weltweit bei der Herstellung ultra‑fortschrittlicher Chips führend ist.

TSMC produziert natürlich überwiegend Siliziumchips, einschließlich der leistungsstärksten 3‑nm‑ und 2‑nm‑Node‑Chips. Und da es vor allem die fortschrittlichsten und teuersten Chips herstellt, kontrolliert es mehr als die Hälfte der globalen Einnahmen der Halbleiter‑Foundry‑Industrie.

Source: Eric Flaningam

TSMC entwickelt sich heute weiter, um in den USA Siliziumchips zu produzieren, insbesondere mit einer massiven Investition in seine neuen Foundries in Arizona.

Dennoch ist TSMC auch Experte für fortschrittliche germaniumbasierte Transistoren und andere Halbleiter.

Während das Unternehmen also den Großteil seines aktuellen Gewinns aus fortschrittlichen Chips und der Herstellung von KI‑Hardware für Unternehmen wie Nvidia (NVDA ) erzielt, könnte es auch einer der Hauptprofiteure der Entdeckung sein, dass gängige Halbleiterfertigungsverfahren dies produzieren können.

Neueste TSMC (TSM) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Studie referenziert:

^{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}