Come gli scienziati hanno reso i semiconduttori superconduttori

Limitazioni della superconduttività

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.

Esiste un’alternativa: i materiali superconduttivi. I materiali superconduttivi hanno resistenza elettrica zero, consentendo il flusso di correnti estremamente potenti senza generare calore.

Senza la superconduttività, molte tecnologie moderne non sarebbero possibili, inclusi gli acceleratori di particelle (ad esempio, CERN), la risonanza magnetica (MRI) e i treni maglev.

La superconduttività sarà un componente cruciale dei megaprogetti e delle innovazioni tecnologiche più promettenti, come ITER e la fusione nucleare, i mass driver, i computer quantistici, ecc.

Le linee elettriche a perdita zero potrebbero essere cruciali anche nello sviluppo di connessioni di rete ultra-lunghe, aiutando a compensare la produzione di energie rinnovabili rispetto alle condizioni meteorologiche e ai fusi orari, risolvendo alcune delle limitazioni dell’energia solare e eolica.

Tuttavia, finora la superconduttività è stata padroneggiata solo per materiali che la mostrano a temperature ultra-basse, appena pochi gradi sopra lo zero assoluto. O a pressioni estremamente elevate. O entrambe.

Ciò lo rende non solo troppo complesso per tutte le applicazioni tranne le più esigenti (maglev, MRI, ecc.) ma anche molto costoso, rendendolo non economico per molte applicazioni che potrebbero beneficiare di materiali superconduttori per un uso su larga scala.

Molti percorsi verso la superconduttività

Ora sembra che il materiale prodotto sotto alta pressione possa conservare parte della sua superconduttività a pressione più bassa tramite un metodo sperimentale chiamato protocollo di scarico di pressione (PQP).

Recentemente, il bilayer torcido di WSe₂ (tungsteno selenio) sembra essere un buon candidato materiale per superconduttori a temperatura più alta.

Un’altra nuova classe di potenziali superconduttori, i nickelati a bilayer, potrebbe essere stata aggiunta alla lista anche quest’anno.

Tuttavia, tutti questi materiali sono relativamente nuovi ed esotici, rendendoli piuttosto lontani dalla produzione di massa e dal dispiegamento su larga scala.

Questo potrebbe cambiare, grazie alla scoperta che i semiconduttori a base di germanio possono essere trasformati in superconduttori. Questa ricerca è stata condotta da scienziati dell’Università del Queensland (Australia), della New York University, dell’ETH Zürich (Svizzera) e dell’Ohio State University, che hanno pubblicato i loro risultati su Nature Nanotechnology¹, con il titolo “Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films”.

Da semiconduttori a superconduttori

Semiconduttori al germanio

Il germanio e il silicio sono entrambi cosiddetti elementi del Gruppo IV, con strutture cristalline simili al diamante. Questa struttura cristallina li fa comportare come qualcosa a metà tra un metallo (conduttore di elettricità) e un isolante (non conduttivo), rendendoli utili per la produzione di semiconduttori.

Germanium semiconductor production is already well understood and performed at scale for various electronic and optical devices. In realtà è stato uno dei primi materiali usati per diodi e transistor, ed è stato sostituito dal silicio solo grazie ai suoi costi più bassi e alla superiore stabilità termica.

Oggi, il germanio, che è cruciale per l’elettronica e l’ottica a infrarossi, inclusi sensori su missili e satelliti di difesa, è principalmente prodotto da miniere di zinco e molibdeno.

Per creare la superconduttività, è necessario che gli elettroni si accoppino, permettendo loro di muoversi attraverso il materiale senza resistenza.

Già nel 2023, è stata trovata una fase superconduttiva nei film di germanio, un lavoro condotto dai ricercatori responsabili di questa ultima scoperta, drogando il materiale gallio con germanio.

Fonte: ResearchGate

“Questo funziona perché gli elementi del gruppo IV non diventano naturalmente superconduttori in condizioni normali, ma modificare la loro struttura cristallina consente la formazione di accoppiamenti di elettroni che permettono la superconduttività.”

Javad Shabani – Direttore del Center of Quantum Information Physics della NYU.

Potenziale di scalabilità

Mentre i tentativi precedenti di creare un comportamento superconduttivo nei semiconduttori come il germanio e il silicio hanno dimostrato il concetto, hanno faticato a realizzarlo su larga scala.

I principali problemi erano mantenere la struttura atomica con proprietà di conduzione appropriate. Normalmente, alti livelli di gallio destabilizzano il cristallo, impedendo la superconduttività.

Tuttavia, è un’idea promettente, poiché la produzione di semiconduttori al germanio è una tecnologia molto ben compresa, con molte attrezzature pronte all’uso.

“Il germanio è già un materiale fondamentale per le tecnologie avanzate dei semiconduttori, quindi dimostrando che può anche diventare superconduttivo sotto condizioni di crescita controllate, ora c’è potenziale per dispositivi quantistici scalabili e pronti per la fonderia.”

Dr Peter Jacobson – Ricercatore presso l’Università del Queensland

Nuovo metodo di produzione

La maggior parte dei metodi di drogaggio tenta di introdurre gli ioni nel materiale, ma porta a risultati piuttosto irregolari. Sebbene ciò possa essere sufficiente a migliorare le prestazioni del semiconduttore, è troppo impreciso per indurre la superconduttività.

Invece, i ricercatori hanno usato una tecnica chiamata molecular beam epitaxy (MBE). Essa dirige fasci di sorgenti atomiche o molecolari su un substrato riscaldato in un ambiente a vuoto ultra-alto (UHV).

Fonte: ExplainThatStuff

Ciò consente un controllo preciso sulla composizione, lo spessore e il drogaggio del film in crescita.

“Piuttosto che l’impianto ionico, la molecular beam epitaxy (MBE) è stata usata per incorporare con precisione atomi di gallio nella rete cristallina del germanio.

L’uso dell’epitassia – crescita di sottili strati cristallini – significa che possiamo finalmente ottenere la precisione strutturale necessaria per comprendere e controllare come la superconduttività emerga in questi materiali.

Dr Julian Steele – Ricercatore presso l’Università del Queensland

Utilizzando l’assorbimento di raggi X basato su sincrotrone, i ricercatori hanno scoperto che i dopanti di gallio si incorporano nella rete del germanio, introducendo una distorsione tetragonale nella cella unità cristallina.

Fonte: Nature Nanotechnology

Questo ordine strutturale crea una banda elettronica stretta per l’emergere della superconduttività in Ge.

Fonte: Nature Nanotechnology

Ancora più importante, questo metodo può funzionare a scala di livello wafer, gli stessi metodi usati per la produzione di massa di chip elettronici.

Fonte: WaferWorld

“Questo lavoro teorico ha confermato che gli atomi di gallio si sostituiscono ordinatamente nella rete del germanio, creando le condizioni elettroniche per la superconduttività.

È un esempio elegante di come la computazione e l’esperimento insieme possano risolvere un problema che ha sfidato la scienza dei materiali per più di mezzo secolo.

Dr Carla Verdi – Ricercatore presso l’Università del Queensland

Applicazioni

La superconduttività creata da questo metodo non è una superconduttività a temperatura ambiente, poiché richiede temperature così basse come 3,5 K (-269 °C / -453 °F), un fenomeno che ancora sfugge alla scienza dei materiali.

Tuttavia, la facilità della sua produzione, utilizzando macchinari ben consolidati dall’industria dei semiconduttori, potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui vengono realizzati i chip superconduttori.

A sua volta, ciò potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui vengono prodotti i materiali per i computer quantistici. Molto probabilmente, invece di un materiale superconduttore costoso, un futuro computer quantistico potrebbe utilizzare semplicemente un wafer semiconduttore di gallio-germanio “normale”, reso superconduttivo in punti specifici del chip.

“Questi materiali aprono una via per una nuova era di dispositivi quantistici ibridi e potrebbero sostenere futuri circuiti quantistici, sensori ed elettronica criogenica a basso consumo, tutti i quali necessitano di interfacce pulite tra regioni superconduttive e semiconduttive.”

Dr Peter Jacobson – Ricercatore presso l’Università del Queensland

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Investire nella produzione di semiconduttori

TSMC

La produzione di semiconduttori è un settore dominato dalla combinazione di competenze molto specializzate e complesse, e dalla necessità di produrre in massa su larga scala per ridurre i costi.

Nessuna azienda è stata così efficace nel padroneggiare questo modello di business come TSMC, l’azienda taiwanese che guida il mondo nella produzione di chip ultra-avanzati.

TSMC produce, ovviamente, principalmente chip in silicio, inclusi i chip più potenti a nodo 3 e 2 nm. E poiché produce principalmente i chip più avanzati e costosi, controlla più della metà dei ricavi globali dell’industria delle fonderie di semiconduttori.

Fonte: Eric Flaningam

TSMC sta oggi evolvendo per iniziare a produrre chip in silicio negli Stati Uniti, in particolare con un massiccio investimento nelle sue nuove fonderie in Arizona.

Tuttavia, TSMC è anche esperta in transistor avanzati a base di germanio e altri semiconduttori.

Quindi, mentre l’azienda trae la maggior parte del suo profitto attuale dai chip avanzati e dalla produzione di hardware AI per aziende come Nvidia (NVDA ), potrebbe anche essere uno dei principali beneficiari della scoperta che i metodi di produzione di semiconduttori comuni possono produrre.

Ultime notizie e sviluppi sulle azioni TSMC (TSM)

Studio citato:

^{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}