Материя нарушила законы физики: металл вдруг решил стать сверхпроводником

Учёные сделали шаг, который может изменить будущее квантовых технологий. Им удалось превратить привычный полупроводник германий в сверхпроводник, заменив каждый восьмой атом на галлий. Это открытие открывает путь к созданию сверхпроводящих элементов для квантовых компьютеров и датчиков нового поколения. Об этом сообщает издание Live Science.

Новый подход к сверхпроводимости

Полупроводники — основа всей современной электроники. Обычно их свойства регулируют добавлением примесей, процессом, известным как легирование. Но группа исследователей пошла дальше — они внедрили атомы галлия в кристаллическую решётку германия, добившись перехода материала в состояние сверхпроводимости. Эта методика впервые позволяет совмещать полупроводниковые и сверхпроводящие свойства в одном веществе, что делает германий перспективным для квантовых технологий и разработки новых энергоэффективных материалов.

"Я думаю, что есть много причин для оптимизма", — отметил соавтор исследования, профессор физики Нью-Йоркского университета Джавад Шабани.

Идея "долегировать" полупроводник до сверхпроводимости появилась ещё в 1960-х, но долгое время оставалась теоретической. Первые эксперименты в 2000-х не дали результата: при бомбардировке металлами структура кристалла повреждалась, и материал терял нужные свойства. Исследователи искали способ сохранить порядок атомов и при этом изменить электронные характеристики вещества.

Прорыв с помощью эпитаксии

Решение пришло с использованием метода молекулярно-пучковой эпитаксии — технологии, при которой атомы осаждаются на подложку послойно. Учёные создавали кристаллы германия слой за слоем, вводя атомы галлия с точностью до единичных позиций. Это позволило заменить один атом германия из восьми, сохранив идеальную кристаллическую структуру.

"Мы буквально распыляем одно вещество на другое", — пояснил Шабани, добавив, что такой подход не нарушает никаких физических законов.

Полученные образцы отправили в Университет Квинсленда (Австралия) для анализа. По словам исследователя Джулиана Стила, обычно подобные измерения были бы "экспериментально недостижимыми", но благодаря точности слоёв удалось получить данные с атомным разрешением. Результаты показали, что структура кристалла почти не нарушена — галлий встроился равномерно, лишь немного изменив расстояния между атомами.

Новое поколение квантовых устройств

Материал показал сверхпроводимость при температуре 3,5 Кельвина — выше, чем у чистого галлия, что удивило исследователей. Обычно переходная температура у легированных материалов ниже, но здесь наблюдается обратный эффект. Этот факт ставит новые вопросы о механизмах сверхпроводимости и открывает путь к созданию более устойчивых квантовых схем.

Профессор Марвин Коэн, впервые предложивший идею легированных сверхпроводников в 1964 году, отметил:

"Отрадно видеть, как исследования в области сверхпроводимости в полупроводниках, начатые мной шестьдесят лет назад, продолжаются с успехом".

Новая технология позволяет создавать многослойные структуры, где чередуются сверхпроводящие и полупроводниковые пластины. Это делает возможным формирование трёхмерных схем с высокой плотностью элементов. Так, в одном двухдюймовом кремниево-германиевом кристалле можно разместить до 25 миллионов переходов Джозефсона — ключевых компонентов квантовых компьютеров и сенсоров.

"Каждый из таких переходов может стать кубитом или пикселем сенсора", — объяснил Шабани.

Потенциал для квантовой индустрии

Высокая упорядоченность структуры снижает уровень дефектов, что помогает бороться с одной из главных проблем квантовой техники — декогеренцией, когда кубит теряет способность удерживать квантовое состояние. Сверхпроводящий германий, созданный методом эпитаксии, может сделать такие кубиты более устойчивыми и долговечными. Аналогичные эксперименты с волновыми эффектами в квантовой физике показывают, что поведение частиц можно контролировать точнее, чем предполагалось ранее.

Главное преимущество открытия — совместимость с существующими производственными процессами. Германий и кремний широко применяются в микроэлектронике, а значит, сверхпроводимость теперь можно внедрять прямо в уже налаженные технологические линии.

"В распоряжении человечества есть триллионная индустрия кремния и германия. Теперь к ней добавляется сверхпроводимость", — подчеркнул Шабани.

Это открытие не просто добавляет новую страницу в историю сверхпроводимости. Оно создаёт мост между традиционными полупроводниковыми технологиями и квантовой электроникой. Возможность интеграции сверхпроводящих элементов в привычные материалы сулит ускорение развития квантовых компьютеров и сенсоров, делая их производство более доступным и масштабируемым.