Благодаря галлию пленка из германия стала сверхпроводником
Австралийские и американские исследователи из Университета Квинсленда и Нью-Йоркского университета осуществили прорыв в области сверхпроводимости, успешно синтезировав кристаллические плёнки германия с примесью галлия. В этих плёнках около 17,9 % атомов германия замещены атомами галлия, что позволило достичь критического сверхпроводящего состояния при температуре 3,5 кельвина. Экспериментальные и теоретические результаты исследования опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
Долгое время учёные стремились создать сверхпроводники на основе кремния и германия, которые являются ключевыми элементами современной микроэлектроники. Успешное достижение сверхпроводимости в этих материалах могло бы открыть новые горизонты для разработки квантовых устройств, таких как кубиты и джозефсоновские переходы. Введение примесей в полупроводниковые материалы изменяет их электропроводность, однако для реализации сверхпроводящего состояния требуется высокая концентрация примесей, которая, в свою очередь, нарушает кристаллическую структуру, приводя к образованию кластеров и потере порядка в решётке. Это делает такие материалы непригодными для использования в традиционных электронных устройствах. До настоящего момента устойчивая сверхпроводимость в германии наблюдалась только в аморфных или дефектных плёнках, полученных методами ионной имплантации и кратковременного отжига.
Для достижения поставленной цели учёные использовали метод молекулярно-пучковой эпитаксии, позволяющий выращивать тонкие плёнки германия с высокой концентрацией галлиевой примеси. Им удалось достичь беспрецедентной концентрации примеси в 4 × 10²¹ атомов на кубический сантиметр, что составляет 17,9 % атомов галлия в кристаллической решётке. При этом структура кристаллической решётки германия сохранялась, а дифракционные исследования подтвердили замещение атомов германия атомами галлия с незначительным искажением решётки и переходом к тетрагональной структуре. Согласно теоретическим расчётам, это упорядоченное искажение приводит к образованию узкой электронной зоны с тяжёлыми носителями, способствующей возникновению сверхпроводимости.
Экспериментальные данные показали, что сопротивление образцов полностью исчезало при температуре 3,5 кельвина, что является прямым свидетельством достижения сверхпроводящего состояния. Примечательно, что этот эффект сохранялся даже после различных видов обработки, включая термическое воздействие и механические деформации. Теоретический анализ подтвердил фононный механизм сверхпроводимости, при котором куперовские пары формируются в результате взаимодействия электронов с мягкими колебаниями кристаллической решётки. Спектры комбинационного рассеяния выявили новые низкоэнергетические моды, соответствующие этим колебаниям.
Полученные плёнки и многослойные структуры на основе германия обладают идеально согласованными границами, что делает их перспективными для интеграции в полупроводниковые схемы. Исследователи полагают, что такие материалы могут стать основой для создания монолитных джозефсоновских переходов и других элементов квантовой электроники, что открывает новые возможности для развития передовых технологий в области квантовых вычислений и сверхпроводящих устройств, пишет источник.