Paano Ginawang Superconducting ng mga Siyentipiko ang mga Semiconductor

Mga Limitasyon ng Superconductivity

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.

Mayroong alternatibo: mga superconductive na materyales. Ang mga superconducting na materyales ay may zero na electrical resistance, na nagpapahintulot sa napakalakas na kuryente na dumaloy nang hindi nagbubuo ng init.

Kung walang superconductivity, maraming modernong teknolohiya ang hindi magiging posible, kabilang ang mga particle accelerator (halimbawa, CERN), MRI, at maglev trains.

Ang superconductivity ay magiging mahalagang sangkap ng mga pinaka-promising na megaprojects at teknolohikal na inobasyon, tulad ng ITER at nuclear fusion, mass drivers, quantum computers, atbp.

Ang mga zero-loss na linya ng kuryente ay maaari ring maging mahalaga sa pag-develop ng ultra-long grid connections, na tumutulong mag-buffer ng produksyon ng renewable sa iba’t ibang kondisyon ng panahon at time zones, na naglutas ng ilang limitasyon ng solar at wind power.

Gayunpaman, ang superconductivity ay napag-aralan hanggang ngayon lamang para sa mga materyales na nagpapakita nito sa ultra-mababang temperatura, ilang antas lamang ng degree ibabaw ng absolute zero. O sa napakataas na pressure. O pareho.

Ginagawa nitong hindi lamang napakakomplikado para sa kahit sino maliban sa mga pinaka-demanding na aplikasyon (maglev, MRI, atbp.) pati na rin napakamahal, kaya hindi ito praktikal para sa maraming aplikasyon na maaaring makinabang mula sa superconductive na materyales para sa malawakang paggamit.

Maraming Landas Patungo sa Superconductivity

Mukhang ngayon, ang materyal na ginawa sa ilalim ng mataas na pressure ay maaaring mapanatili ang ilan sa superconductivity nito sa mas mababang pressure gamit ang isang experimental na pamamaraan na tinatawag na pressure-quench protocol (PQP).

Kamakailan, ang twisted bilayer ng WSe₂ (tungsten selenium) ay lumitaw na isang magandang kandidato para sa mga higher-temperature superconductors din.

Isa pang bagong klase ng potensyal na superconductors, bilayer nickelates, maaaring nadagdag din sa listahan ngayong taon.

Gayunpaman, ang lahat ng mga materyal na ito ay medyo bago at kakaiba, kaya malayo pa mula sa mass production at malawakang deployment.

Maaaring magbago ito, salamat sa pagtuklas na ang mga germanium-based na semiconductor ay maaaring gawing superconductors. Ang pananaliksik na ito ay ginawa ng mga siyentipiko sa University of Queensland (Australia), New York University, ETH Zürich (Switzerland), at The Ohio State University, na naglathala ng kanilang mga natuklasan sa Nature Nanotechnology¹, sa pamagat na “Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films”.

Mula sa mga Semiconductor Patungo sa mga Superconductor

Germanium Semiconductors

Ang germanium at silicon ay parehong tinatawag na Group IV elements, na may diamond-like na crystal structures. Ang crystal structure na ito ay nagiging dahilan upang kumilos sila bilang isang bagay sa pagitan ng metal (conductive ng kuryente) at insulator (hindi conductive), na ginagawang kapaki-pakinabang para sa paggawa ng semiconductor.

Germanium semiconductor production is already well understood and performed at scale for various electronic and optical devices. Sa katunayanisa sa mga unang materyales na ginamit para sa mga diode at transistor, at napalitan lamang ng silicon dahil sa mas mababang gastos nito at mas mahusay na thermal stability.

Sa ngayon, ang germanium, na mahalaga para sa electronics at infrared optics, kabilang ang mga sensor sa mga misil at defense satellites, ay karamihan ay kinukuha mula sa mga minahan ng zinc at molybdenum.

Upang lumikha ng superconductivity, kailangan mong mag-pair ang mga electron, na nagpapahintulot sa kanila na gumalaw sa materyal nang walang resistance.

Noong 2023, natagpuan na ang isang superconducting phase sa mga germanium film, isang gawaing isinagawa ng mga mananaliksik na responsable sa pinakabagong pagtuklas na ito, na nag-doping ng gallium material sa germanium.

Pinagmulan: ResearchGate

“Gumagana ito dahil ang mga elementong group IV ay hindi natural na nagiging superconducting sa normal na kondisyon, ngunit ang pagbabago ng kanilang crystal structure ay nagpapahintulot sa pagbuo ng mga electron pairing na nagbibigay-daan sa superconductivity.” Javad Shabani – Director ng Center of Quantum Information Physics ng NYU.

Potensyal sa Pag-scale Up

Habang ang mga naunang pagtatangka na lumikha ng superconducting behavior sa mga semiconductor tulad ng germanium at silicon ay nagpapatunay ng konsepto, nahirapan silang gawin ito sa malakihang sukat.

Ang pangunahing mga isyu ay ang pagpapanatili ng atomic structure na may tamang conduction properties. Karaniwan, ang mataas na antas ng gallium ay nagdudulot ng destabilization ng crystal, na pumipigil sa superconductivity.

Gayunpaman, ito ay isang promising na ideya, dahil ang paggawa ng germanium semiconductor ay isang lubos na nauunawaan na teknolohiya, na may maraming kagamitan na handang gamitin.

“Ang germanium ay isa nang workhorse material para sa advanced semiconductor technologies, kaya sa pagpapakita na maaari rin itong maging superconducting sa ilalim ng kontroladong growth conditions, may potensyal na ito para sa scalable, foundry-ready na quantum devices.” Dr Peter Jacobson – Mananaliksik sa University of Queensland

Bagong Pamamaraan ng Produksyon

Karamihan sa mga doping method ay sinusubukang ilagay ang mga ion sa materyal, ngunit nagreresulta sa hindi regular na mga resulta. Bagaman maaaring sapat ito upang mapabuti ang performance ng semiconductor, masyadong hindi tiyak ito upang magdulot ng superconductivity.

Sa halip, ginamit ng mga mananaliksik ang teknik na tinatawag na molecular beam epitaxy (MBE). Pinapadala nito ang mga beam ng atomic o molecular sources papunta sa isang heated substrate sa ultra-high vacuum (UHV) environment.

Pinagmulan: ExplainThatStuff

Nagbibigay ito ng tumpak na kontrol sa komposisyon, kapal, at doping ng lumalaking film.

“Sa halip na ion implantation, ginamit ang molecular beam epitaxy (MBE) upang tumpak na isama ang mga gallium atom sa crystal lattice ng germanium.

Ang paggamit ng epitaxy – pag-grow ng manipis na crystal layers – ay nangangahulugang maaari na nating makamit ang structural precision na kinakailangan upang maunawaan at kontrolin kung paano lumilitaw ang superconductivity sa mga materyal na ito.”

Dr Julian Steele – Mananaliksik sa University of Queensland

Sa paggamit ng synchrotron-based X-ray absorption, natuklasan ng mga mananaliksik na ang mga gallium dopant ay isinama sa loob ng germanium lattice, na nagdudulot ng tetragonal distortion sa crystal unit cell.

Pinagmulan: Nature Nanotechnology

Ang kaayusan ng istruktura na ito ay lumilikha ng isang makitid na electronic band para sa pag-usbong ng superconductivity sa Ge.

Pinagmulan: Nature Nanotechnology

Higit sa lahat, ang metodong ito ay maaaring gumana sa wafer-level na sukat, katulad ng mga pamamaraan na ginagamit para sa mass-production ng mga elektronikong chip.

Pinagmulan: WaferWorld

“Kinikumpirma ng teoretikal na gawaing ito na ang mga gallium atom ay maayos na pumapalit sa germanium lattice, na lumilikha ng mga electronic condition para sa superconductivity.

Isa itong eleganteng halimbawa kung paano ang computation at experiment ay magkasamang makalutas ng problemang hamon sa material science nang higit sa kalahating siglo.”

Dr Carla Verdi – Mananaliksik sa University of Queensland

Mga Aplikasyon

Ang superconductivity na nililikha ng metodong ito ay hindi room-temperature superconductivity, dahil nangangailangan ito ng temperatura na kasing baba ng 3.5°K (-269°C / -453°F), isang phenomenon na patuloy na nakakaligtaan ng material science.

Gayunpaman, ang kadalian ng produksyon nito, gamit ang mga matagal nang itinatag na makinarya ng industriya ng semiconductor, ay maaaring radikal na baguhin kung paano ginagawa ang mga superconducting chip.

Sa kabilang banda, maaari nitong radikal na baguhin kung paano ginagawa ang mga materyales para sa quantum computers. Malamang, sa halip na mamahaling superconducting material, ang hinaharap na quantum computer ay maaaring gumamit lamang ng isang “normal” na gallium-germanium semiconductor wafer, na ginawang superconducting sa mga tiyak na bahagi ng chip.

“Binubuksan ng mga materyales na ito ang isang landas para sa bagong panahon ng hybrid quantum devices at maaaring magsilbing pundasyon para sa mga hinaharap na quantum circuits, sensors, at low-power cryogenic electronics, na lahat ay nangangailangan ng malinis na interface sa pagitan ng superconducting at semiconducting na rehiyon.” Dr Peter Jacobson – Mananaliksik sa University of Queensland

Mag-swipe upang mag-scroll →

Pamumuhunan sa Paggawa ng Semiconductor

TSMC

Ang paggawa ng semiconductor ay isang industriya na dominado ng kombinasyon ng napaka-niche at kumplikadong kadalubhasaan, at ang pangangailangan na mag-mass-produce sa malaking sukat upang mapababa ang gastos.

Walang kumpanyang naging kasing tagumpay sa pag-master ng modelong ito tulad ng TSMC, ang Taiwanese na kumpanya na nangunguna sa mundo sa paggawa ng ultra-advanced na mga chip.

Ang TSMC ay gumagawa, siyempre, karamihan ng silicon chips, kabilang ang pinaka-makapangyarihang 3 at 2nm node chips. At dahil gumagawa ito ng karamihan sa pinaka-advanced at pinakamahal na mga chip, kontrolado nito ang higit sa kalahati ng pandaigdigang kita ng semiconductor foundry industry.

Pinagmulan: Eric Flaningam

Ang TSMC ngayon ay umuunlad upang magsimulang mag-produce ng silicon chips sa US, lalo na sa isang napakalaking pamumuhunan sa mga bagong Arizona foundries nito.

Gayunpaman, ang TSMC ay eksperto rin sa advanced na germanium-based transistors at iba pang semiconductor.

Kaya habang ang kumpanya ay kumikita pangunahing mula sa advanced chips at paggawa ng AI-hardware para sa mga tulad ng Nvidia (NVDA ), maaari rin itong maging isa sa mga pangunahing benepisyaryo ng pagtuklas na ang karaniwang mga pamamaraan ng paggawa ng semiconductor ay maaaring mag-produce.

Pinakabagong Balita at Pag-unlad ng Stock ng TSMC (TSM)

Pag-aaral na Binanggit:

^{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}