Ένα βήμα που θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά το μέλλον της τεχνολογίας έκανε μια διεθνής ομάδα ερευνητών, μετατρέποντας για πρώτη φορά το γερμάνιο, ένα από τα θεμελιώδη υλικά των ημιαγωγών, σε υπεραγωγό. Η ανακάλυψη, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Nanotechnology, ανοίγει τον δρόμο για ταχύτερα και πιο ενεργειακά αποδοτικά ηλεκτρονικά κυκλώματα, αλλά και για μια νέα γενιά quantum chips.
Το γερμάνιο, συγγενές στοιχείο του πυριτίου, υπήρξε για δεκαετίες η «ήσυχη δύναμη» πίσω από την εξέλιξη των ηλεκτρονικών. Από τρανζίστορ και αισθητήρες μέχρι οπτικές ίνες, η σταθερότητα και η προσαρμοστικότητά του το έχουν καταστήσει πολύτιμο για τη βιομηχανία. Ωστόσο, ένα χαρακτηριστικό έλειπε πάντα από το προφίλ του: η ικανότητα να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς καμία απώλεια ενέργειας. Αυτό ακριβώς πέτυχαν τώρα οι ερευνητές, ενεργοποιώντας για πρώτη φορά το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας στο γερμάνιο.
Η υπεραγωγιμότητα είναι ένα από τα πιο εντυπωσιακά φαινόμενα στη φυσική. Συμβαίνει όταν τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ζεύγη και κινούνται με απόλυτη ομαλότητα μέσα στο υλικό, χωρίς καμία αντίσταση. Σε αυτή την κατάσταση, η ενέργεια που χάνεται λόγω θερμότητας εξαφανίζεται εντελώς, ένα όνειρο για κάθε μηχανικό που αναζητά υψηλότερη απόδοση σε μικρότερα chips.
Το πείραμα πραγματοποιήθηκε από επιστήμονες του New York University και του University of Queensland, υπό την καθοδήγηση του φυσικού Javad Shabani. Η ομάδα κατάφερε να κατασκευάσει μια ειδική μορφή γερμανίου που γίνεται υπεραγώγιμη στους 3,5 Kelvin, δηλαδή περίπου στους –269,6 βαθμούς Κελσίου. «Το να προκαλέσεις υπεραγωγιμότητα σε ένα υλικό που ήδη χρησιμοποιείται στους σύγχρονους επεξεργαστές σημαίνει ότι ανοίγεις απευθείας τον δρόμο προς μια νέα γενιά κβαντικών συσκευών», δήλωσε ο Shabani, διευθυντής του Center for Quantum Information Physics στο NYU.
Το «μυστικό» της επιτυχίας βρίσκεται σε μια τεχνική γνωστή ως doping, δηλαδή την ελεγχόμενη προσθήκη ατόμων άλλων στοιχείων μέσα στο υλικό ώστε να αλλάξουν οι φυσικές του ιδιότητες. Οι ερευνητές εισήγαγαν άτομα γαλλίου, ενός μαλακότερου στοιχείου που χρησιμοποιείται ήδη στα ολοκληρωμένα κυκλώματα, αξιοποιώντας μια εξαιρετικά ακριβή μέθοδο κρυσταλλικής ανάπτυξης που ονομάζεται επιταξία μοριακής δέσμης. Η μέθοδος αυτή επιτρέπει την ενσωμάτωση των ατόμων με ακρίβεια σε ατομικό επίπεδο, χωρίς να διαταράσσεται η δομή του αρχικού υλικού.
Μετά την ολοκλήρωση του πειράματος, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ακτίνες Χ για να αναλύσουν τη σταθερότητα του νέου κρυστάλλου. Τα αποτελέσματα ήταν εντυπωσιακά: το πλέγμα του γερμανίου παρέμεινε σταθερό, παρουσιάζοντας μηδενική ηλεκτρική αντίσταση. «Καταφέραμε να διατηρήσουμε την καθαρότητα και τη συνέχεια του κρυστάλλου ακόμη και σε πολύ υψηλές συγκεντρώσεις γαλλίου», εξήγησε ο Peter Jacobson, φυσικός στο University of Queensland. «Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να παράγουμε υπεραγώγιμα wafers γερμανίου σε βιομηχανική κλίμακα, συμβατά με τις σημερινές τεχνολογίες παραγωγής chips».
Η σημασία της ανακάλυψης ξεπερνά τα όρια της φυσικής των υλικών. Αν η υπεραγωγιμότητα μπορεί να επιτευχθεί σε ένα τόσο κοινό και ήδη βιομηχανικά ώριμο στοιχείο, τότε η μετάβαση σε πιο αποδοτικά και γρήγορα ηλεκτρονικά κυκλώματα γίνεται ρεαλιστική προοπτική. Η ενοποίηση υπεραγώγιμων και ημιαγώγιμων περιοχών στο ίδιο chip θεωρείται κρίσιμο βήμα για την εξέλιξη των κβαντικών υπολογιστών, των εξαιρετικά ευαίσθητων αισθητήρων και των ηλεκτρονικών συστημάτων που λειτουργούν σε κρυογενικές θερμοκρασίες.
Η δυνατότητα να παραχθούν τέτοια υλικά σε μαζική κλίμακα θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια νέα εποχή στον σχεδιασμό μικροεπεξεργαστών. Φανταστείτε ένα chip που όχι μόνο υπολογίζει γρηγορότερα, αλλά και δεν χάνει καθόλου ενέργεια υπό τη μορφή θερμότητας. Αυτό μεταφράζεται σε μικρότερες ενεργειακές απαιτήσεις, λιγότερη ψύξη και πολύ μεγαλύτερη αξιοπιστία, παράγοντες που είναι ζωτικής σημασίας, ειδικά για τα κβαντικά συστήματα όπου κάθε απώλεια ενέργειας επηρεάζει την ακρίβεια των υπολογισμών.
«Τώρα που γνωρίζουμε πώς να προκαλέσουμε υπεραγωγιμότητα σε ένα γνώριμο υλικό όπως το γερμάνιο, μπορούμε να φανταστούμε πιο αποδοτικές και ευκολότερες στην παραγωγή υβριδικές συσκευές», πρόσθεσε ο Jacobson. Η ενοποίηση αυτών των τεχνολογιών θα μπορούσε να προσφέρει νέα εργαλεία για τη νανοηλεκτρονική, την κβαντική πληροφορική και την ανάπτυξη αισθητήρων με ευαισθησία σε ατομικό επίπεδο.
[source]
