Hur forskare gjorde halvledare supraledande

Begränsningar för supraledning

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.

Ett alternativ finns: supraledande material. Supraledande material har noll elektrisk resistans, vilket tillåter extremt kraftfulla strömmar att flöda utan att generera värme.

Utan supraledning skulle mycket modern teknik vara omöjlig, inklusive partikelacceleratorer (till exempel CERN), MR och maglevtåg.

Supraledning kommer att vara en avgörande komponent i de mest lovande megaprojekten och teknologiska innovationerna, som ITER och kärnfusion, massdrivare, kvantdatorer, osv.

Elkraftledningar utan förluster kan också vara avgörande för att utveckla ultralånga nätanslutningar, hjälpa till att jämna ut produktionen av förnybar energi över väderförhållanden och tidszoner, och lösa vissa av begränsningarna för sol- och vindkraft.

Dock har supraledning hittills bara bemästrats för material som uppvisar den vid extremt låga temperaturer, knappt några grader över den absoluta nollpunkten. Eller extremt högt tryck. Eller båda.

Detta gör den inte bara för komplex för alla utom de mest krävande tillämpningarna (maglev, MR, etc.) utan också mycket dyr, vilket gör den oekonomisk för många tillämpningar som skulle kunna dra nytta av supraledande material i stor skala.

Många vägar till supraledning

Det verkar nu som att materialet som produceras under högt tryck kan behålla en del av sin supraledning vid lägre tryck genom en experimentell metod kallad pressure‑quench‑protokoll (PQP).

På senare tid har den vridna bilagret av WSe₂ (tungsten selen) visat sig vara ett lovande material för högre temperatur‑supraledare också.

En annan ny klass av potentiella supraledare, bilager‑nickelater, kan också ha lagts till listan i år.

Ändå är alla dessa material relativt nya och exotiska, vilket gör dem ganska långt från massproduktion och storskalig implementering.

Detta kan förändras tack vare upptäckten att germanium‑baserade halvledare kan omvandlas till supraledare. Denna forskning utfördes av forskare vid University of Queensland (Australia), New York University, ETH Zürich (Switzerland), och The Ohio State University, som publicerade sina resultat i Nature Nanotechnology¹, under titeln “Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films”.

Från halvledare till supraledare

Germanium‑halvledare

Germanium och kisel är båda så kallade grupp‑IV‑element med diamantliknande kristallstrukturer. Denna kristallstruktur får dem att bete sig som något mellan en metall (elektriskt ledande) och en isolator (icke‑ledande), vilket gör dem användbara för tillverkning av halvledare.

Germanium‑halvledartillverkning är redan väl förstådd och utförs i stor skala för olika elektroniska och optiska enheter. Det var faktiskt ett av de första materialen som användes för dioder och transistorer, och ersattes endast av kisel tack vare dess lägre kostnader och överlägsna termiska stabilitet.

Idag är germanium, som är avgörande för elektronik och infraröd optik, inklusive sensorer på missiler och försvarssatelliter, mestadels producerat från zink‑ och molybdengruvor.

För att skapa supraledning behöver man att elektroner parar sig, så att de kan röra sig genom materialet utan resistans.

Redan 2023 hittades en supraledande fas i germaniumfilmer, ett arbete utfört av forskarna bakom denna senaste upptäckt, där gallium dopas i germanium.

Källa: ResearchGate

“Detta fungerar eftersom grupp‑IV‑element inte naturligt blir supraledande under normala förhållanden, men genom att modifiera deras kristallstruktur möjliggörs bildandet av elektronpar som tillåter supraledning.”

Javad Shabani – Direktör för NYU:s Center for Quantum Information Physics.

Skalningspotential

Medan tidigare försök att skapa supraledande beteende i halvledare som germanium och kisel bevisade konceptet, hade de svårt att bygga det i skala.

De största problemen var att upprätthålla den atomära strukturen med lämpliga ledningsegenskaper. Vanligtvis destabiliserar höga nivåer av gallium kristallen, vilket förhindrar supraledning.

Ändå är detta en lovande idé, eftersom tillverkning av germanium‑halvledare är en mycket väl förstådd teknik, med massor av utrustning redo att användas.

“Germanium är redan ett arbetskraftsmaterial för avancerad halvledarteknik, så genom att visa att det också kan bli supraledande under kontrollerade tillväxtförhållanden finns nu potential för skalbara, fabriksklara kvant‑enheter.”

Dr Peter Jacobson – Forskare vid University of Queensland

Ny produktionsmetod

De flesta dopningsmetoder försöker införa joner i materialet, men ger ganska oregelbundna resultat. Även om det kan räcka för att förbättra halvledarprestanda, är detta för ospecificerat för att inducera supraledning.

Istället använde forskarna en teknik kallad molekylär stråleepitaxi (MBE). Den riktar strålar av atom- eller molekylära källor mot ett uppvärmt substrat i en ultrahög vakuummiljö (UHV).

Källa: ExplainThatStuff

Detta ger exakt kontroll över sammansättningen, tjockleken och dopningen av den växande filmen.

“Istället för jonimplantation användes molekylär stråleepitaxi (MBE) för att exakt införliva galliumatomer i germaniums kristallgitter.

Genom att använda epitaxi – odling av tunna kristallager – kan vi äntligen uppnå den strukturella precision som behövs för att förstå och kontrollera hur supraledning uppstår i dessa material.

Dr Julian Steele – Researcher at University of Queensland

När man använde synkrotronbaserad röntgenabsorption fann forskarna att galliumdopanter införlivas i germaniums gitter, vilket introducerar en tetragonal förvrängning av kristallens enhetscell.

Källa: Nature Nanotechnology

Denna strukturella ordning skapar ett smalt elektronband för framväxten av supraledning i Ge.

Källa: Nature Nanotechnology

Viktigare är att denna metod kan fungera på wafer‑nivå, samma metoder som används för massproduktion av elektronikchips.

Källa: WaferWorld

“Detta teoretiska arbete bekräftade att galliumatomer ersätter på ett snyggt sätt germaniums gitter, vilket skapar de elektroniska förutsättningarna för supraledning.

Det är ett elegant exempel på hur beräkning och experiment tillsammans kan lösa ett problem som har utmanat materialvetenskapen i mer än ett halvt sekel.

Dr Carla Verdi – Forskare vid University of Queensland

Tillämpningar

Supraledningen som denna metod skapar är inte en rumstemperatur‑supraledning, eftersom den kräver temperaturer så låga som 3,5 K (-269 °C / -453 °F), ett fenomen som fortfarande undgår materialvetenskapen.

Ändå kan den enkla produktionen, med väl etablerad utrustning som används av halvledarindustrin, radikalt förändra hur supraledande chip tillverkas.

Detta kan i sin tur radikalt förändra hur material för kvantdatorer produceras. Troligen kan en framtida kvantdator, i stället för dyrt supraledande material, bara använda ett “normalt” gallium‑germanium‑halvledarkaka, som görs supraledande på specifika ställen på chipet.

“Dessa material öppnar en väg för en ny era av hybrid‑kvant‑enheter och kan ligga till grund för framtida kvantkretsar, sensorer och låg‑effekt‑kryogenisk elektronik, som alla kräver rena gränssnitt mellan supraledande och halvledande regioner.”

Dr Peter Jacobson – Forskare vid University of Queensland

Svep för att rulla →

Investera i tillverkning av halvledare

TSMC

Halvledartillverkning är en industri dominerad av en kombination av mycket nischad och komplex expertis, samt behovet av massproduktion i skala för att minska kostnaderna.

Inget företag har varit lika framgångsrikt med att bemästra denna affärsmodell som TSMC, det taiwanesiska företaget som leder världen i tillverkning av ultramoderna chip.

TSMC producerar naturligtvis mestadels kiselchip, inklusive de mest kraftfulla 3‑ och 2 nm‑nodchipen. Och eftersom de främst producerar de mest avancerade och dyra chipen, kontrollerar de mer än hälften av de globala intäkterna i halvledarfoundry‑industrin.

Källa: Eric Flaningam

TSMC utvecklar idag för att börja producera kiselchip i USA, speciellt med en massiv investering i sina nya Arizona‑foundries.

Ändå är TSMC också expert på avancerade germanium‑baserade transistorer och andra halvledare.

Så medan företaget främst driver sin nuvarande vinst från avancerade chip och tillverkning av AI‑hårdvara för företag som Nvidia (NVDA ), kan det också bli en av de främsta fördelarna av upptäckten att vanliga halvledartillverkningsmetoder kan producera.

Senaste TSMC (TSM) aktienyheter och utvecklingar

Studie refererad:

^{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}