ژرمانیم ابررسانا شد؛ گامی بزرگ به‌سوی الکترونیک بدون اتلاف انرژی

گروهی از پژوهشگران بین‌المللی توانسته‌اند با تغییرات دقیق در ساختار اتمی، عنصر ژرمانیم را از یک نیمه‌رسانا به یک ابررسانا تبدیل کنند.

به گزارش ایتنا و به نقل از سایتک‌دیلی، این تحول که در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده، گامی اساسی در جهت تولید تراشه‌ها و مدارهایی است که می‌توانند جریان برق را بدون هیچ مقاومتی عبور دهند و در نتیجه انرژی را به‌طور کامل حفظ کنند.

برای سال‌ها هدف دانشمندان این بود که موادی با ویژگی دوگانه نیمه‌رسانایی و ابررسانایی بسازند تا راندمان رایانه‌ها، سلول‌های خورشیدی و سامانه‌های کوانتومی افزایش یابد. با این حال، موادی مانند سیلیسیوم و ژرمانیم، که اساس فناوری‌های کنونی را تشکیل می‌دهند، به‌دلیل دشواری در حفظ نظم اتمی لازم برای حرکت آزاد الکترون‌ها، تا کنون در دستیابی به ابررسانایی ناکام مانده بودند.

در این پژوهش جدید، دانشمندان با تزریق دقیق عنصر گالیم به ژرمانیم، موفق شدند ساختاری پایدار ایجاد کنند که در دمای ۳/۵ کلوین (حدود ۴۵۳- درجه فارنهایت) بدون مقاومت الکتریکی عمل می‌کند. این فرآیند موسوم به «دوپینگ» با استفاده از روش رشد لایه‌ای موسوم به Molecular Beam Epitaxy انجام شد که امکان جای‌گذاری کنترل‌شده اتم‌های گالیم در شبکه بلوری ژرمانیم را فراهم می‌کند. برخلاف روش‌های قدیمی‌تر که باعث ناپایداری ساختار می‌شدند، این رویکرد شکل کریستال را تنها اندکی تغییر داده اما رسانایی کامل را حفظ کرده است.

پژوهشگران دانشگاه‌های New York University و University of Queensland می‌گویند این دستاورد می‌تواند زیربنای مدارهای کوانتومی، حسگرهای فوق‌حساس و الکترونیک کم‌مصرف در دماهای پایین باشد. به گفته‌ی جاوَد شعبانی، فیزیک‌دان دانشگاه نیویورک، «تحقق ابررسانایی در ژرمانیم که در تراشه‌ها و فیبرهای نوری کاربرد گسترده‌ای دارد، می‌تواند انقلابی در محصولات مصرفی و فناوری‌های صنعتی ایجاد کند.»

ژرمانیم و سیلیسیوم هر دو از عناصر گروه چهارم با ساختار الماسی هستند و موقعیت الکترونی آنها بین فلزات و عایق‌ها قرار دارد. برای تبدیل آن‌ها به ابررسانا، لازم است چیدمان اتمی به‌گونه‌ای تغییر کند که الکترون‌ها بتوانند به‌صورت جفتی و بدون مانع در شبکه بلوری حرکت کنند. اکنون با کنترل دقیق این ساختار در ژرمانیم، پژوهشگران گامی اساسی در درک و مهندسی ابررسانایی در نیمه‌هادی‌ها برداشته‌اند.