Bagaimana Ilmuwan Membuat Semikonduktor Menjadi Superkonduktor

Batasan Superkonduktivitas

Listrik merupakan salah satu teknologi paling transformatif dalam sejarah karena memungkinkan pengiriman bentuk energi yang sangat berguna dalam jarak jauh. Namun, setiap sistem listrik “normal” menghadapi hambatan listrik yang menghasilkan panas ketika arus mengalir.

Alternatifnya ada: material superkonduktif. Material superkonduktif memiliki resistansi listrik nol, memungkinkan arus yang sangat kuat mengalir tanpa menghasilkan panas.

Tanpa superkonduktivitas, banyak teknologi modern tidak akan mungkin, termasuk akselerator partikel (misalnya, CERN), MRI, dan kereta maglev.

Superkonduktivitas akan menjadi komponen penting dari megaprojek paling menjanjikan dan inovasi teknologi, seperti ITER dan fusi nuklir, penggerak massa, komputer kuantum, dll.

Garis listrik tanpa kehilangan daya juga dapat menjadi kunci dalam mengembangkan koneksi jaringan ultra‑panjang, membantu menyeimbangkan produksi energi terbarukan melintasi kondisi cuaca dan zona waktu, menyelesaikan beberapa keterbatasan tenaga surya dan angin.

Namun, superkonduktivitas sejauh ini hanya dikuasai untuk material yang menampilkannya pada suhu ultra‑rendah, hanya beberapa derajat di atas nol mutlak. Atau pada tekanan sangat tinggi. Atau keduanya.

Hal ini membuatnya terlalu rumit untuk aplikasi selain yang paling menuntut—seperti maglev dan MRI—serta sangat mahal. Akibatnya, penggunaan material superkonduktif dalam skala besar tidak ekonomis bagi banyak aplikasi yang sebenarnya dapat memanfaatkannya.

Berbagai Jalur Menuju Superkonduktivitas

Kini tampaknya material yang dibuat di bawah tekanan tinggi dapat mempertahankan sebagian sifat superkonduktifnya pada tekanan yang lebih rendah melalui metode eksperimental bernama pressure-quench protocol (PQP).

Baru-baru ini, bilayer WSe₂ (tungsten selenida) yang dipuntir juga muncul sebagai kandidat material yang baik untuk superkonduktor bersuhu lebih tinggi.

Kelas baru superkonduktor potensial lainnya, yaitu nikelat bilayer, mungkin juga telah ditambahkan ke daftar tahun ini.

Meski demikian, seluruh material ini relatif baru dan eksotis sehingga masih jauh dari produksi massal dan penerapan berskala besar.

Hal itu dapat berubah berkat penemuan bahwa semikonduktor berbasis germanium dapat diubah menjadi superkonduktor. Riset ini dilakukan oleh ilmuwan dari University of Queensland (Australia), New York University, ETH Zürich (Swiss), dan Ohio State University. Temuannya diterbitkan di Nature Nanotechnology¹ dengan judul “Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films”.

Dari Semikonduktor ke Superkonduktor

Semikonduktor Germanium

Germanium dan silikon sama-sama merupakan unsur Golongan IV dengan struktur kristal menyerupai berlian. Struktur tersebut membuatnya berperilaku di antara logam yang menghantarkan listrik dan isolator yang tidak menghantarkan listrik, sehingga berguna untuk produksi semikonduktor.

Germanium semiconductor production is already well understood and performed at scale for various electronic and optical devices. Sebenarnya salah satu material pertama yang digunakan untuk dioda dan transistor, dan hanya digantikan oleh silikon berkat biaya yang lebih rendah dan stabilitas termal yang superior.

Saat ini, germanium—yang sangat penting bagi elektronik dan optik inframerah, termasuk sensor pada rudal dan satelit pertahanan—sebagian besar diperoleh dari tambang seng dan molibdenum.

Untuk menghasilkan superkonduktivitas, elektron harus berpasangan agar dapat bergerak melalui material tanpa hambatan.

Pada 2023, fase superkonduktif telah ditemukan dalam film germanium. Riset tersebut dilakukan oleh para peneliti di balik penemuan terbaru ini dengan mendoping germanium menggunakan galium.

Sumber: ResearchGate

“Hal ini bekerja karena unsur Golongan IV secara alami tidak bersifat superkonduktif dalam kondisi normal, tetapi perubahan struktur kristalnya memungkinkan terbentuknya pasangan elektron yang menghasilkan superkonduktivitas.”

Javad Shabani – Direktur Center of Quantum Information Physics di NYU.

Potensi Skalabilitas

Upaya sebelumnya untuk menghasilkan perilaku superkonduktif pada semikonduktor seperti germanium dan silikon telah membuktikan konsepnya, tetapi sulit diterapkan dalam skala besar.

Masalah utamanya adalah mempertahankan struktur atom dengan sifat konduksi yang tepat. Dalam kondisi normal, kadar galium yang tinggi membuat kristal tidak stabil sehingga menghambat superkonduktivitas.

Namun, gagasan ini tetap menjanjikan karena manufaktur semikonduktor germanium sudah dipahami dengan baik dan banyak peralatan siap digunakan.

“Germanium sudah menjadi material andalan teknologi semikonduktor canggih. Dengan menunjukkan bahwa material ini juga dapat menjadi superkonduktif dalam kondisi pertumbuhan terkendali, kini terbuka peluang bagi perangkat kuantum yang dapat diskalakan dan siap diproduksi di foundry.”

Dr. Peter Jacobson – Peneliti di University of Queensland

Metode Produksi Baru

Sebagian besar metode doping mencoba memasukkan ion ke dalam material, tetapi hasilnya cenderung tidak merata. Hal itu mungkin cukup untuk meningkatkan kinerja semikonduktor, tetapi terlalu tidak presisi untuk memicu superkonduktivitas.

Sebagai gantinya, para peneliti menggunakan teknik bernama molecular beam epitaxy (MBE). Teknik ini mengarahkan berkas sumber atom atau molekul ke substrat yang dipanaskan dalam lingkungan vakum ultra-tinggi (UHV).

Sumber: ExplainThatStuff

Teknik ini memberikan kendali presisi atas komposisi, ketebalan, dan tingkat doping film yang sedang tumbuh.

“Alih-alih implantasi ion, molecular beam epitaxy (MBE) digunakan untuk memasukkan atom galium secara presisi ke dalam kisi kristal germanium.

Epitaksi—menumbuhkan lapisan kristal tipis—akhirnya memungkinkan kami mencapai presisi struktur yang diperlukan untuk memahami dan mengendalikan kemunculan superkonduktivitas dalam material ini.”

Dr. Julian Steele – Peneliti di University of Queensland

Dengan menggunakan absorpsi sinar-X berbasis sinkrotron, para peneliti menemukan bahwa dopan galium menyatu ke dalam kisi germanium dan menimbulkan distorsi tetragonal pada sel satuan kristal.

Sumber: Nature Nanotechnology

Keteraturan struktur ini menciptakan pita elektronik sempit yang memungkinkan superkonduktivitas muncul pada germanium.

Sumber: Nature Nanotechnology

Yang lebih penting, metode ini dapat diterapkan pada skala wafer dengan proses yang sama seperti yang digunakan untuk memproduksi massal cip elektronik.

Sumber: WaferWorld

“Kajian teoretis ini mengonfirmasi bahwa atom galium menggantikan atom dalam kisi germanium secara rapi dan menciptakan kondisi elektronik yang diperlukan bagi superkonduktivitas.

Ini merupakan contoh elegan bagaimana komputasi dan eksperimen bersama-sama dapat menyelesaikan persoalan yang menantang ilmu material selama lebih dari setengah abad.”

Dr. Carla Verdi – Peneliti di University of Queensland

Aplikasi

Superkonduktivitas yang dihasilkan metode ini bukanlah superkonduktivitas suhu ruang karena membutuhkan suhu serendah 3,5 K (-269 °C / -453 °F), fenomena yang masih belum berhasil dicapai ilmu material.

Meski demikian, kemudahan produksinya dengan mesin mapan yang telah digunakan industri semikonduktor dapat mengubah secara radikal cara pembuatan cip superkonduktif.

Pada akhirnya, hal ini dapat mengubah cara material untuk komputer kuantum diproduksi. Alih-alih memakai material superkonduktif yang mahal, komputer kuantum masa depan mungkin cukup menggunakan wafer semikonduktor galium-germanium “normal” yang dibuat superkonduktif hanya pada bagian tertentu dari cip.

“Material ini membuka jalan menuju era baru perangkat kuantum hibrida dan dapat menjadi dasar rangkaian kuantum, sensor, serta elektronik kriogenik berdaya rendah di masa depan. Semuanya membutuhkan antarmuka bersih antara wilayah superkonduktif dan semikonduktif.”

Dr. Peter Jacobson – Peneliti di University of Queensland

Geser untuk menggulir →

Berinvestasi dalam Manufaktur Semikonduktor

TSMC

Produksi semikonduktor merupakan industri yang memadukan keahlian sangat khusus dan kompleks dengan kebutuhan produksi massal berskala besar untuk menekan biaya.

Tidak ada perusahaan yang berhasil menguasai model bisnis ini sebaik TSMC, perusahaan Taiwan yang memimpin dunia dalam pembuatan cip ultra-canggih.

TSMC terutama memproduksi cip silikon, termasuk cip node 3 nm dan 2 nm yang paling kuat. Karena sebagian besar produksinya merupakan cip tercanggih dan termahal, perusahaan ini menguasai lebih dari separuh pendapatan global industri foundry semikonduktor.

Sumber: Eric Flaningam

TSMC kini memperluas produksi cip silikon di Amerika Serikat, terutama melalui investasi besar pada fasilitas barunya di Arizona.

TSMC juga ahli dalam transistor canggih berbasis germanium dan semikonduktor lainnya.

Jadi, meskipun laba TSMC saat ini terutama berasal dari cip canggih dan pembuatan perangkat keras AI untuk perusahaan seperti Nvidia (NVDA ), perusahaan ini juga dapat menjadi salah satu penerima manfaat utama dari penemuan bahwa metode manufaktur semikonduktor umum dapat menghasilkan superkonduktor.

Berita dan Perkembangan Saham TSMC (TSM) Terbaru

Studi Dirujuk:

^{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}