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वैज्ञानिकों ने अर्धचालकों को सुपरकंडक्टिंग कैसे बनाया
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सुपरकंडक्टिविटी की सीमाएँ
विद्युत इतिहास में सबसे परिवर्तनकारी तकनीकों में से एक रही है, जो लंबी दूरी पर बहुत उपयोगी ऊर्जा के रूप के संचरण की अनुमति देती है। लेकिन हर “सामान्य” विद्युत प्रणाली में विद्युत प्रतिरोध होता है, जिससे जब विद्युत धारा लागू की जाती है तो गर्मी उत्पन्न होती है।
एक विकल्प मौजूद है: सुपरकंडक्टिव सामग्री। सुपरकंडक्टिव सामग्री में शून्य विद्युत प्रतिरोध होता है, जिससे अत्यधिक शक्तिशाली धारा बिना गर्मी उत्पन्न किए प्रवाहित हो सकती है।
सुपरकंडक्टिविटी के बिना, कई आधुनिक तकनीकें संभव नहीं होतीं, जैसे कण त्वरक (उदाहरण के लिए, CERN), एमआरआई, और मैग्लेव ट्रेनें।
सुपरकंडक्टिविटी सबसे आशाजनक मेगाप्रोजेक्ट्स और तकनीकी नवाचारों का एक महत्वपूर्ण घटक होगी, जैसे ITER और नाभिकीय संलयन, मास ड्राइवर, क्वांटम कंप्यूटर, आदि।
शून्य-हानि विद्युत पावर लाइनों का विकास अल्ट्रा-लंबी ग्रिड कनेक्शन बनाने में भी महत्वपूर्ण हो सकता है, जो मौसम स्थितियों और समय क्षेत्रों में नवीकरणीय ऊर्जा उत्पादन को बफ़र करने में मदद करता है, और सौर और पवन ऊर्जा की कुछ सीमाओं को हल करता है।
हालाँकि, अब तक सुपरकंडक्टिविटी केवल उन सामग्रियों में हासिल की गई है जो इसे अल्ट्रा-निम्न तापमान पर प्रदर्शित करती हैं, लगभग शून्य के कुछ डिग्री ऊपर। या अत्यधिक उच्च दबाव पर। या दोनों पर।
यह इसे न केवल सबसे मांग वाले अनुप्रयोगों (मैग्लेव, एमआरआई, आदि) के लिए बहुत जटिल बनाता है, बल्कि बहुत महंगा भी बनाता है, जिससे बड़े पैमाने पर उपयोग के लिए सुपरकंडक्टिव सामग्री से लाभान्वित होने वाले कई अनुप्रयोगों के लिए यह आर्थिक नहीं रहता।
सुपरकंडक्टिविटी के कई मार्ग
अब ऐसा लगता है कि उच्च दबाव में निर्मित सामग्री कम दबाव पर भी अपनी कुछ सुपरकंडक्टिविटी बनाए रख सकती है, एक प्रयोगात्मक विधि जिसे प्रेशर-क्वेंच प्रोटोकॉल (PQP) नामक प्रयोगात्मक विधि के माध्यम से।
हाल ही में, WSe₂ (टंगस्टन सेलेनियम) की ट्विस्टेड बाइलायर को उच्च तापमान वाले सुपरकंडक्टरों के लिए एक अच्छा सामग्री उम्मीदवार माना गया।
एक और नई वर्ग की संभावित सुपरकंडक्टर्स, बाइलायर निकेलेट्स, इस वर्ष सूची में जोड़े जा सकते हैं।
फिर भी, इन सभी सामग्रियों की तुलना में नई और विदेशी हैं, जिससे वे बड़े पैमाने पर उत्पादन और तैनाती से काफी दूर हैं।
यह बदल सकता है, क्योंकि यह खोज हुई कि जर्मेनियम-आधारित अर्धचालक को सुपरकंडक्टर्स में बदला जा सकता है। यह शोध ऑस्ट्रेलिया के यूनिवर्सिटी ऑफ क्विंसलैंड, न्यू यॉर्क यूनिवर्सिटी, स्विट्ज़रलैंड के ETH ज़्यूरिख, और द ओहायो स्टेट यूनिवर्सिटी के वैज्ञानिकों द्वारा किया गया, जिन्होंने अपने निष्कर्ष नेचर नैनोटेक्नोलॉजी¹ में प्रकाशित किए, शीर्षक “Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films” के तहत।
अर्धचालकों से सुपरकंडक्टर्स तक
जर्मेनियम अर्धचालक
जर्मेनियम और सिलिकॉन दोनों को समूह IV तत्व कहा जाता है, जिनकी हीरे जैसी क्रिस्टल संरचना होती है। यह क्रिस्टलीय संरचना उन्हें धातु (विद्युत चालक) और इन्सुलेटर (अविचालक) के बीच कुछ बनाती है, जिससे वे अर्धचालक उत्पादन के लिए उपयोगी होते हैं।
जर्मेनियम अर्धचालक उत्पादन पहले से ही अच्छी तरह समझा गया है और विभिन्न इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल उपकरणों के लिए बड़े पैमाने पर किया जाता है। यह वास्तव में डायोड और ट्रांजिस्टर के लिए उपयोग की गई पहली सामग्रियों में से एक था, और केवल सिलिकॉन द्वारा प्रतिस्थापित किया गया क्योंकि इसकी लागत कम थी और थर्मल स्थिरता बेहतर थी।
आज, जर्मेनियम, जो इलेक्ट्रॉनिक्स और इन्फ्रारेड ऑप्टिक्स, मिसाइलों और रक्षा उपग्रहों पर सेंसर सहित, के लिए महत्वपूर्ण है, मुख्यतः जिंक और मोलीब्डेनम खानों से प्राप्त किया जाता है।
सुपरकंडक्टिविटी बनाने के लिए, इलेक्ट्रॉनों को युग्मित होना आवश्यक है, जिससे वे सामग्री के भीतर बिना प्रतिरोध के चल सकें।
2023 में ही, जर्मेनियम फ़िल्मों में एक सुपरकंडक्टिंग चरण पाया गया, यह कार्य उन शोधकर्ताओं द्वारा किया गया था जो इस नवीनतम खोज के लिए जिम्मेदार थे, जिन्होंने गैलियम सामग्री को जर्मेनियम के साथ डोप किया।
स्रोत: ResearchGate
“यह काम इसलिए करता है क्योंकि समूह IV तत्व सामान्य परिस्थितियों में स्वाभाविक रूप से सुपरकंडक्ट नहीं होते, लेकिन उनके क्रिस्टल संरचना को बदलने से इलेक्ट्रॉन युग्म बनते हैं जो सुपरकंडक्टिविटी को सक्षम करते हैं।”
Javad Shabani – NYU के सेंटर ऑफ क्वांटम इन्फॉर्मेशन फिज़िक्स के निदेशक.
विस्तार की संभावनाएँ
जबकि जर्मेनियम और सिलिकॉन जैसे अर्धचालकों में सुपरकंडक्टिंग व्यवहार बनाने के पिछले प्रयासों ने सिद्धांत को साबित किया, वे इसे बड़े पैमाने पर बनाने में संघर्ष करते रहे।
मुख्य समस्याएँ थीं उपयुक्त चालक गुणों के साथ परमाणु संरचना को बनाए रखना। सामान्यतः, गैलियम के उच्च स्तर क्रिस्टल को अस्थिर कर देते हैं, जिससे सुपरकंडक्टिविटी रोकी जाती है।
फिर भी, यह एक आशाजनक विचार है, क्योंकि जर्मेनियम अर्धचालक निर्माण एक बहुत ही समझी हुई तकनीक है, जिसमें उपयोग के लिए पर्याप्त उपकरण उपलब्ध हैं।
“जर्मेनियम पहले से ही उन्नत अर्धचालक तकनीकों के लिए एक भरोसेमंद सामग्री है, इसलिए यह दिखाकर कि यह नियंत्रित विकास स्थितियों में सुपरकंडक्टिव भी बन सकता है, अब स्केलेबल, फाउंड्री-तैयार क्वांटम डिवाइसों की संभावनाएँ हैं।”
डॉ. पीटर जैकोब्सन – यूनिवर्सिटी ऑफ क्विंसलैंड में शोधकर्ता.
नई उत्पादन विधि
अधिकांश डोपिंग विधियाँ आयनों को सामग्री में सम्मिलित करने की कोशिश करती हैं, लेकिन इससे असमान परिणाम मिलते हैं। जबकि यह अर्धचालक प्रदर्शन को सुधारने के लिए पर्याप्त हो सकता है, यह सुपरकंडक्टिविटी उत्पन्न करने के लिए बहुत असटीक है।
इसके बजाय, शोधकर्ताओं ने एक तकनीक का उपयोग किया जिसे मोलेक्युलर बीम एपिटैक्सी (MBE) कहा जाता है। यह अल्ट्रा-हाई वैक्यूम (UHV) वातावरण में एक गर्म सब्सट्रेट पर परमाणु या अणु स्रोतों की बीमों को निर्देशित करता है।
स्रोत: ExplainThatStuff
यह बढ़ती फिल्म की संरचना, मोटाई, और डोपिंग पर सटीक नियंत्रण प्रदान करता है।
“आयन इम्प्लांटेशन के बजाय, मोलेक्युलर बीम एपिटैक्सी (MBE) का उपयोग गैलियम एटम को जर्मेनियम के क्रिस्टल लैटिस में सटीक रूप से सम्मिलित करने के लिए किया गया।
एपिटैक्सी – पतली क्रिस्टल परतें उगाने – का उपयोग करने का मतलब है कि हम अंततः इन सामग्रियों में सुपरकंडक्टिविटी के उभरने को समझने और नियंत्रित करने के लिए आवश्यक संरचनात्मक सटीकता प्राप्त कर सकते हैं।
डॉ. जूलियन स्टील – यूनिवर्सिटी ऑफ क्विंसलैंड में शोधकर्ता.
सिंक्रोट्रॉन-आधारित एक्स-रे एब्जॉर्प्शन का उपयोग करते समय, शोधकर्ताओं ने पाया कि गैलियम डोपेंट जर्मेनियम लैटिस में सम्मिलित होते हैं, जिससे क्रिस्टल यूनिट सेल में टेट्राहेड्रल विकृति आती है।
स्रोत: Nature Nanotechnology
यह संरचनात्मक क्रम जर्मेनियम में सुपरकंडक्टिविटी के उद्भव के लिए एक संकीर्ण इलेक्ट्रॉनिक बैंड बनाता है।
स्रोत: Nature Nanotechnology
और अधिक महत्वपूर्ण यह है कि यह विधि वेफ़र-स्तर पर काम कर सकती है, वही विधियाँ जो इलेक्ट्रॉनिक चिप्स को बड़े पैमाने पर उत्पादन करती हैं।
स्रोत: WaferWorld
“इस सैद्धांतिक कार्य ने पुष्टि की कि गैलियम एटम जर्मेनियम लैटिस में साफ़-साफ़ प्रतिस्थापित होते हैं, जिससे सुपरकंडक्टिविटी के लिए इलेक्ट्रॉनिक स्थितियाँ बनती हैं।
यह एक सुंदर उदाहरण है कि कैसे गणना और प्रयोग मिलकर उस समस्या को हल कर सकते हैं जिसने सामग्री विज्ञान को आधे सदी से अधिक समय तक चुनौती दी है।
डॉ. कार्ला वर्डी – यूनिवर्सिटी ऑफ क्विंसलैंड में शोधकर्ता.
अनुप्रयोग
इस विधि द्वारा उत्पन्न सुपरकंडक्टिविटी कमरे के तापमान पर नहीं है, क्योंकि इसके लिए 3.5 K (-269 °C / -453 °F) जैसी बहुत कम तापमान की आवश्यकता होती है, जो अभी भी सामग्री विज्ञान से परे है।
फिर भी, अर्धचालक उद्योग द्वारा उपयोग किए जाने वाले स्थापित मशीनरी का उपयोग करके इसका उत्पादन आसान होने से सुपरकंडक्टिंग चिप्स के निर्माण में क्रांतिकारी परिवर्तन आ सकता है।
इसके परिणामस्वरूप, क्वांटम कंप्यूटरों के लिए सामग्री के उत्पादन में भी क्रांतिकारी परिवर्तन हो सकता है। सबसे संभावना है कि महंगी सुपरकंडक्टिव सामग्री के बजाय, भविष्य का क्वांटम कंप्यूटर केवल एक “सामान्य” गैलियम-जर्मेनियम अर्धचालक वेफ़र का उपयोग कर सकता है, जिसे चिप के विशिष्ट स्थानों पर सुपरकंडक्टिव बनाया जाता है।
“इन सामग्रियों से हाइब्रिड क्वांटम डिवाइसों के नए युग का मार्ग खुलता है और यह भविष्य के क्वांटम सर्किट, सेंसर और कम-शक्ति क्रायोजेनिक इलेक्ट्रॉनिक्स का आधार बन सकती हैं, जिनके लिए सुपरकंडक्टिव और अर्धचालक क्षेत्रों के बीच साफ़ इंटरफ़ेस आवश्यक हैं।”
डॉ. पीटर जैकोब्सन – यूनिवर्सिटी ऑफ क्विंसलैंड में शोधकर्ता.
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| सामग्री / विधि | प्रकार | क्रिटिकल तापमान (K) | विस्तार क्षमता |
|---|---|---|---|
| Copper-oxide (YBCO) | हाई‑Tc सिरेमिक | 92 K | सीमित – नाज़ुक |
| हाइड्राइड (H₃S under pressure) | हाइड्रोजन-आधारित | 203 K (उच्च दबाव) | कम – अत्यधिक दबाव |
| गैलियम-डोप्ड जर्मेनियम (this study) | अर्धचालक-आधारित | 3.5 K | उच्च – वेफ़र-स्तर |
अर्धचालक निर्माण में निवेश
TSMC
TSM मूल्य चार्ट
अर्धचालक उत्पादन एक ऐसा उद्योग है जो अत्यंत विशिष्ट और जटिल विशेषज्ञता के संयोजन तथा लागत कम करने के लिए बड़े पैमाने पर उत्पादन की आवश्यकता से प्रभुत्व रखता है।
कोई कंपनी इस व्यापार मॉडल में TSMC जितनी सफल नहीं रही है, जो ताइवान की कंपनी है और अल्ट्रा‑एडवांस्ड चिप्स के निर्माण में विश्व में अग्रणी है।
TSMC मुख्यतः सिलिकॉन चिप्स बनाता है, जिसमें सबसे शक्तिशाली 3nm और 2nm नोड चिप्स शामिल हैं। और क्योंकि यह सबसे उन्नत और महंगी चिप्स बनाता है, यह अर्धचालक फाउंड्री उद्योग की वैश्विक आय का आधे से अधिक हिस्सा नियंत्रित करता है।
स्रोत: Eric Flaningam
TSMC आज संयुक्त राज्य में सिलिकॉन चिप्स का उत्पादन शुरू करने के लिए विकसित हो रहा है, विशेष रूप से अपने नए एरिज़ोना फाउंड्री में बड़े निवेश के साथ।
फिर भी, TSMC उन्नत जर्मेनियम-आधारित ट्रांजिस्टर और अन्य अर्धचालकों में भी विशेषज्ञ है।
इसलिए जबकि कंपनी अपनी वर्तमान आय मुख्यतः उन्नत चिप्स और Nvidia जैसे कंपनियों के लिए एआई‑हार्डवेयर के निर्माण से प्राप्त करती है (NVDA ), यह इस खोज का भी मुख्य लाभार्थी हो सकता है कि सामान्य अर्धचालक निर्माण विधियों से उत्पादन संभव है।
TSMC (TSM) स्टॉक समाचार और विकास
संदर्भित अध्ययन:
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
