コンピューティング
科学者が半導体を超伝導化した方法
超伝導の制限
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.
代替手段として超伝導材料があります。超伝導材料は電気抵抗がゼロであり、熱を発生させることなく極めて大きな電流を流すことができます。
超伝導がなければ、粒子加速器（例：CERN）、MRI、そして磁気浮上列車など、多くの現代技術は実現できません。
超伝導は、ITERや核融合、マスドライバー、量子コンピュータなど、最も有望なメガプロジェクトや技術革新にとって重要な要素となります。
ゼロロスの送電線は、超長距離の電力網接続の開発にも重要であり、天候や時差にわたる再生可能エネルギーの供給を緩衝し、太陽光や風力の制限の一部を解決することができます。
しかし、これまで超伝導は、絶対零度にわずか数度上の超低温、または極めて高い圧力、あるいはその両方でのみ実現されてきました。
そのため、磁気浮上やMRIなど最も要求の高い用途以外では複雑すぎ、コストも高く、大規模に超伝導材料を活用できる多くの用途にとっては経済的に不適です。
超伝導への多様な道筋
It now seems that the material produced under high pressure might be able to retain some of its superconductivity at lower pressure through an experimental method called pressure-quench protocol (PQP).
最近、WSe₂（タングステンセレニウム）のねじれ二層構造が、より高温の超伝導体の有力な候補材料であることが示されました。
別の新しい潜在的超伝導体クラスである二層ニッケル酸化物も、今年リストに加えられた可能性があります。
しかし、これらの材料はすべて比較的新しく、希少であるため、大量生産やスケールでの展開にはまだ遠い状況です。
この状況は、ゲルマニウム系半導体を超伝導体に変換できるという発見により変わる可能性があります。この研究は、オーストラリアのクイーンズランド大学、ニューヨーク大学、スイスのETHチューリッヒ、そしてオハイオ州立大学の科学者らによって行われ、Nature Nanotechnologyに「Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films」というタイトルで掲載されました。
半導体から超伝導体へ
ゲルマニウム半導体
Germanium and silicon are both so-called Group IV elements, with diamond-like crystal structures. This crystalline structure makes them behave as something between a metal (conductive of electricity) and an insulator (non-conductive), making them useful for semiconductor production.
ゲルマニウム半導体の製造はすでに十分に理解されており、さまざまな電子・光学デバイス向けに大規模に行われています。実際にはダイオードとトランジスタに使用された最初の材料の一つです、そしてシリコンに置き換えられたのはコストが低く、熱安定性が優れているためです
現在、ミサイルや防衛衛星のセンサーなど、エレクトロニクスや赤外光学に不可欠なゲルマニウムは、主に亜鉛とモリブデンの鉱山から採取されています。
超伝導を実現するには、電子が対になって材料内を抵抗なく移動できるようにする必要があります。
2023年には、ゲルマニウム薄膜で超伝導相が見つかっており、これは今回の発見を導いた研究者らがガリウムをゲルマニウムにドーピングした研究です
出典: ResearchGate
“この仕組みは、第IV族元素は通常の条件下では自然に超伝導しませんが、結晶構造を変更することで電子対の形成が可能になり、超伝導が実現します。”
Javad Shabani – NYU量子情報物理学センター所長。
スケールアップの可能性
While previous attempts to create superconducting behavior in semiconductors such as germanium and silicon proved the concept, they struggled to build it at scale.
主な課題は、適切な導電特性を保ちながら原子構造を維持することでした。通常、ガリウムを高濃度に添加すると結晶が不安定になり、超伝導が阻害されます。
それでも、ゲルマニウム半導体の製造は非常に熟知された技術であり、既存の装置が多数利用可能であるため、有望なアイデアです。
「ゲルマニウムはすでに先進的な半導体技術の主力材料であり、制御された成長条件下で超伝導化できることが示されたことで、スケーラブルでファウンドリ対応の量子デバイスの可能性が生まれました。」
Dr Peter Jacobson – クイーンズランド大学研究者。
新しい製造方法
Most doping methods try to implement the ions into the material, but lead to rather irregular results. While that can be enough to improve semiconductor performance, this is too imprecise to induce superconductivity.
代わりに、研究者らは分子ビームエピタキシー（MBE）。 It directs beams of atomic or molecular sources onto a heated substrate in an ultra-high vacuum (UHV) environment.
出典: ExplainThatStuff
これにより、成長中の膜の組成、厚さ、ドーピングを精密に制御できます。
「イオン注入ではなく、分子ビームエピタキシー（MBE）を用いてガリウム原子をゲルマニウムの結晶格子に正確に組み込むことができました。
エピタキシー、すなわち薄い結晶層を成長させる手法により、これらの材料で超伝導が現れるメカニズムを理解し制御するために必要な構造的精度をついに実現できました。」
Dr Julian Steele – クイーンズランド大学研究者。
When using synchrotron-based X-ray absorption, the researchers found that gallium dopants are incorporated within the germanium lattice, introducing a tetragonal distortion to the crystal unit cell.
この構造秩序により、ゲルマニウムで超伝導が現れるための狭い電子バンドが形成されます。
さらに重要なのは、この手法がウェーハレベルのスケールで実施でき、電子チップの大量生産に用いられる方法と同様である点です。
出典: WaferWorld
「この理論的研究は、ガリウム原子がゲルマニウム格子にきれいに置換され、超伝導のための電子的条件を作り出すことを確認しました。
計算と実験が協働して、半世紀以上材料科学を悩ませてきた課題を解決できる優れた例です。」
Dr Carla Verdi – クイーンズランド大学研究者。
応用例
The superconductivity this method creates is not a room-temperature superconductivity, as it requires temperatures as low as 3.5°K (-269°C / -453°F), a phenomenon still eluding material science.
それでも、半導体産業で確立された装置を用いた生産の容易さは、超伝導チップの製造方法を根本的に変える可能性があります。
結果として、量子コンピュータ用材料の製造方法も根本的に変わるでしょう。将来的には、高価な超伝導材料の代わりに、通常のガリウム‑ゲルマニウム半導体ウェーハをチップ上の特定部位で超伝導化する形になる可能性があります。
「これらの材料はハイブリッド量子デバイスの新時代への道を開き、将来の量子回路、センサー、低消費電力の低温電子機器の基盤となり得ます。これらはすべて、超伝導領域と半導体領域の間のクリーンなインターフェースを必要とします。」
Dr Peter Jacobson – クイーンズランド大学研究者。
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| 材料 / 方法 | タイプ | 臨界温度 (K) | スケーラビリティ |
|---|---|---|---|
| Copper-oxide (YBCO) | 高Tcセラミック | 92 K | 限定的 – 脆い |
| Hydride (H₃S under pressure) | 水素系 | 203 K（高圧） | 低 – 極端な圧力 |
| Gallium-doped Germanium (this study) | 半導体ベース | 3.5 K | 高 – ウェーハレベル |
半導体製造への投資
TSMC
(TSM )
半導体製造は、極めて専門的かつ複雑な技術と、コスト削減のために大規模大量生産が必要という組み合わせが支配する産業です。
このビジネスモデルを最も成功裏にマスターしている企業は、超先進的なチップ製造で世界をリードする台湾企業TSMCです。
TSMCは主にシリコンチップを製造しており、最も高性能な3nm・2nmノードチップも含まれます。また、最先端で高価なチップを中心に製造しているため、半導体ファウンドリ産業の世界収益の半分以上を占めています。
出典: Eric Flaningam
TSMCは現在、米国でシリコンチップの生産を開始するべく、特に新しいアリゾナのファウンドリへの大規模投資を進めています。
それでも、TSMCは先進的なゲルマニウムベースのトランジスタやその他の半導体にも熟達しています。
したがって、同社は現在、先進的なチップやNvidiaなど向けのAIハードウェア製造から主に利益を得ていますが、一般的な半導体製造方法で超伝導体が作れるという発見の主要な受益者の一つになる可能性もあります。
最新のTSMC（TSM）株式ニュースと動向
参照研究：
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
