Hvordan forskere gjorde halvledere superledende

Begrensninger for superledning

Elektrisitet har vært en av historiens mest omveltende teknologier, fordi den gjør det mulig å overføre en svært nyttig energiform over lange avstander. Men alle «normale» elektriske systemer møter elektrisk motstand, som utvikler varme når det går strøm.

Det finnes et alternativ: superledende materialer. Slike materialer har null elektrisk motstand, slik at svært kraftige strømmer kan flyte uten å utvikle varme.

Uten superledning ville mye moderne teknologi vært umulig, blant annet partikkelakseleratorer – for eksempel CERN – MR-maskiner og maglevtog.

Superledning blir en avgjørende del av noen av de mest lovende megaprosjektene og teknologiske nyvinningene, som ITER og kjernefusjon, masseakseleratorer og kvantedatamaskiner.

Tapsfrie kraftlinjer kan også bli avgjørende for svært lange nettforbindelser, utjevne produksjonen av fornybar energi på tvers av værforhold og tidssoner og løse enkelte begrensninger ved sol- og vindkraft.

Så langt har superledning bare blitt mestret i materialer som viser egenskapen ved ultralave temperaturer, bare noen få grader over det absolutte nullpunktet, ved ekstremt høyt trykk eller under begge forhold.

Dette gjør teknologien både for komplisert for annet enn de mest krevende bruksområdene – som maglev og MR – og svært kostbar. Derfor er bruk av superledende materialer i stor skala ulønnsom for mange anvendelser som ellers kunne hatt nytte av dem.

Mange veier til superledning

Det ser nå ut til at et materiale fremstilt under høyt trykk kan beholde noe av superledningsevnen ved lavere trykk gjennom en eksperimentell metode kalt pressure-quench-protokollen (PQP).

Nylig viste et vridd dobbeltlag av WSe₂ (wolframselenid) seg også som en lovende kandidat til superledning ved høyere temperaturer.

En annen ny klasse mulige superledere, dobbeltlagsnikkelater, kan også ha blitt føyd til listen i år.

Alle disse materialene er likevel relativt nye og eksotiske, og dermed fortsatt langt unna masseproduksjon og utrulling i stor skala.

Dette kan endre seg etter oppdagelsen av at germaniumbaserte halvledere kan gjøres superledende. Forskningen ble utført av forskere ved University of Queensland (Australia), New York University, ETH Zürich (Sveits) og Ohio State University. Resultatene ble publisert i Nature Nanotechnology¹ under tittelen «Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films».

Fra halvledere til superledere

Germanium‑halvledere

Germanium og silisium er begge såkalte gruppe IV-grunnstoffer med diamantlignende krystallstrukturer. Strukturen gjør at de oppfører seg som en mellomting mellom et elektrisk ledende metall og en isolator, noe som gjør dem nyttige i halvlederproduksjon.

Produksjon av germaniumhalvledere er allerede godt forstått og utføres i stor skala for ulike elektroniske og optiske enheter. Germanium var faktisk et av de første materialene som ble brukt i dioder og transistorer, og ble bare erstattet av silisium på grunn av lavere kostnader og bedre termisk stabilitet.

I dag utvinnes germanium, som er avgjørende for elektronikk og infrarød optikk – blant annet sensorer i missiler og forsvarssatellitter – hovedsakelig fra sink- og molybdengruver.

For å skape superledning må elektronene danne par, slik at de kan bevege seg gjennom materialet uten motstand.

Allerede i 2023 ble det funnet en superledende fase i germaniumfilmer. Arbeidet ble utført av forskerne bak den nye oppdagelsen ved å dope germanium med gallium.

Kilde: ResearchGate

«Dette virker fordi gruppe IV-grunnstoffer ikke er naturlig superledende under normale forhold, men en endring av krystallstrukturen gjør det mulig å danne elektronpar som gir superledning.»

Javad Shabani – direktør for NYUs Center of Quantum Information Physics.

Skaleringspotensial

Tidligere forsøk på å skape superledende egenskaper i halvledere som germanium og silisium demonstrerte prinsippet, men lot seg ikke skalere.

Hovedproblemet var å bevare atomstrukturen med de riktige ledningsegenskapene. Normalt destabiliserer høye nivåer av gallium krystallen og hindrer superledning.

Likevel er ideen lovende, fordi produksjon av germaniumhalvledere er en velkjent teknologi og mye utstyr allerede er tilgjengelig.

«Germanium er allerede et arbeidshestmateriale i avansert halvlederteknologi. Ved å vise at det også kan bli superledende under kontrollerte vekstforhold, finnes det nå et potensial for skalerbare kvanteenheter som er klare for brikkeproduksjon.»

Dr. Peter Jacobson – forsker ved University of Queensland

Ny produksjonsmetode

De fleste dopingsmetoder forsøker å føre ioner inn i materialet, men gir ganske ujevne resultater. Det kan være nok til å forbedre ytelsen til en halvleder, men er for upresist til å fremkalle superledning.

I stedet brukte forskerne en teknikk kalt molekylstråleepitaksi (MBE). Den retter stråler fra atomære eller molekylære kilder mot et oppvarmet substrat i et ultrahøyt vakuum (UHV).

Kilde: ExplainThatStuff

Dette gir presis kontroll over sammensetningen, tykkelsen og dopingen i filmen mens den vokser.

«I stedet for ioneimplantasjon ble molekylstråleepitaksi (MBE) brukt til å bygge galliumatomer presist inn i germaniums krystallgitter.

Epitaksi – vekst av tynne krystallag – betyr at vi endelig kan oppnå strukturpresisjonen som kreves for å forstå og styre hvordan superledning oppstår i disse materialene.»

Dr. Julian Steele – forsker ved University of Queensland

Ved hjelp av synkrotronbasert røntgenabsorpsjon fant forskerne at galliumdopantene bygges inn i germaniumgitteret og skaper en tetragonal forvrengning av krystallens enhetscelle.

Kilde: Nature Nanotechnology

Denne strukturelle ordenen skaper et smalt elektronisk bånd der superledning kan oppstå i germanium.

Kilde: Nature Nanotechnology

Enda viktigere er det at metoden kan fungere på skivenivå med de samme prosessene som brukes til masseproduksjon av elektronikkbrikker.

Kilde: WaferWorld

«Det teoretiske arbeidet bekreftet at galliumatomene erstatter atomer ryddig i germaniumgitteret og skaper de elektroniske betingelsene for superledning.

Det er et elegant eksempel på hvordan beregninger og eksperimenter sammen kan løse et problem som har utfordret materialvitenskapen i mer enn et halvt århundre.»

Dr. Carla Verdi – forsker ved University of Queensland

Applikasjoner

Superledningen metoden skaper, er ikke superledning ved romtemperatur. Den krever temperaturer helt ned mot 3,5 K (-269 °C / -453 °F), et fenomen materialvitenskapen fortsatt ikke har mestret.

Den enkle produksjonen med veletablerte maskiner fra halvlederindustrien kan likevel endre måten superledende brikker lages på radikalt.

Dette kan igjen endre produksjonen av materialer til kvantedatamaskiner radikalt. I stedet for kostbart superledende materiale kan en fremtidig kvantedatamaskin kanskje bruke en «normal» gallium-germaniumskive som bare gjøres superledende på bestemte steder i brikken.

«Disse materialene åpner en vei til en ny æra med hybride kvanteenheter og kan danne grunnlag for fremtidige kvantekretser, sensorer og energieffektiv kryogen elektronikk. Alle trenger rene grenseflater mellom superledende og halvledende områder.»

Dr. Peter Jacobson – forsker ved University of Queensland

Sveip for å bla →

Investering i produksjon av halvledere

TSMC

Halvlederproduksjon er en industri som kombinerer svært spesialisert og kompleks ekspertise med behovet for masseproduksjon i stor skala for å redusere kostnadene.

Ingen selskaper har mestret denne forretningsmodellen like godt som TSMC, det taiwanske selskapet som leder verden innen produksjon av svært avanserte brikker.

TSMC produserer hovedsakelig silisiumbrikker, blant annet de kraftigste brikkene med 3- og 2-nanometernoder. Fordi selskapet særlig produserer de mest avanserte og kostbare brikkene, står det for mer enn halvparten av den globale omsetningen i halvleder-foundryindustrien.

Kilde: Eric Flaningam

TSMC utvider nå produksjonen av silisiumbrikker i USA, blant annet gjennom en massiv investering i nye fabrikker i Arizona.

TSMC har også ekspertise på avanserte germaniumbaserte transistorer og andre halvledere.

Selv om selskapet i dag først og fremst tjener penger på avanserte brikker og produksjon av AI-maskinvare for blant andre Nvidia (NVDA ), kan det også bli en av de største vinnerne på oppdagelsen av at vanlige produksjonsmetoder for halvledere kan fremstille superledere.

Siste TSMC (TSM) aksjenyheter og utviklinger

Studie referert:

^{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}