Un team di ricercatori della New York University e dell’Università del Queensland ha realizzato un risultato di rilievo nel campo dei materiali quantistici: la creazione di un germanio superconduttore mediante tecniche standard di fabbricazione dei chip. Questo approccio, compatibile con le infrastrutture semiconduttori esistenti, consente di ottenere film epitassiali dopati con gallio capaci di raggiungere la transizione superconduttiva a 3,5 Kelvin, aprendo nuove prospettive per il quantum computing e per l’elettronica criogenica.
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Superconduttività nel germanio dopato con gallio
La superconduttività nel germanio è stata raggiunta grazie a un dopaggio ipercontrollato con gallio, ottenuto tramite epitassia a fascio molecolare (MBE). Questa tecnica permette di sostituire gli atomi di germanio con atomi di gallio in modo ordinato, evitando il disordine e la formazione di cluster che caratterizzavano i tentativi precedenti basati sull’impianto ionico.
I film epitassiali così ottenuti presentano una concentrazione di portatori di carica estremamente elevata, pari a 4,15 × 10²¹ cm⁻³, corrispondente a un 17,9% di sostituzione atomica. Questa densità induce una distorsione tetragonale controllata nel reticolo cristallino, generando una banda elettronica ristretta favorevole alla formazione delle coppie di Cooper e alla superconduttività. I ricercatori hanno verificato la transizione superconduttiva sotto 3,5 K e osservato correnti critiche stabili in dispositivi Josephson miniaturizzati, dimostrando che il materiale può sostenere correnti coerenti su scala nanometrica.
Tecniche di fabbricazione e caratterizzazione
Il processo impiegato si basa su camere a vuoto ultra-alto, in cui fasci di germanio e gallio vengono diretti su substrati riscaldati. La deposizione controllata garantisce una crescita epitassiale omogenea e l’incorporazione sostituzionale dei dopanti. Una volta cresciuti i film, i ricercatori hanno utilizzato litografia elettronica per realizzare array di giunzioni Josephson su wafer da 2 pollici, integrando milioni di dispositivi superconduttori con densità e precisione compatibili con le tecnologie di produzione attuali. La spettroscopia X-ray a sincrotrone e le tecniche di scattering hanno confermato la distribuzione ordinata del gallio nel reticolo e la presenza di una distorsione cristallina coerente. Le misure di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) hanno evidenziato interfacce pulite e prive di difetti, requisito cruciale per la coerenza quantistica. Le simulazioni ab initio condotte con metodi a funzionale di densità (DFT) hanno indicato che l’ordine strutturale ottenuto genera una banda stretta che stabilizza la superconduttività. In questo modo, il germanio dopato si distingue dai superconduttori disordinati tradizionali, garantendo un controllo elettronico molto più preciso.
Proprietà e potenzialità del germanio superconduttore
Il germanio epitassiale dopato con gallio presenta una temperatura critica (Tc) di 3,5 K, una densità di corrente critica elevata e una stabilità termica superiore rispetto ai superconduttori convenzionali basati su silicio o alluminio. Grazie alla sua compatibilità con i processi CMOS, il materiale può essere integrato direttamente nei circuiti esistenti, consentendo la realizzazione di piattaforme ibride superconduttore-semiconduttore per l’elettronica quantistica. Il team ha dimostrato che le eterostrutture trilayer mantengono interfacce cristalline coerenti, garantendo la conservazione delle proprietà superconduttive anche su larga scala. Ciò rappresenta un passo avanti cruciale per scalare i circuiti quantistici oltre i limiti attuali dei materiali come il niobio o l’indio.
Implicazioni per il quantum computing e l’elettronica criogenica
Le prestazioni del germanio superconduttore aprono la strada a nuove architetture per qubit, in particolare attraverso giunzioni Josephson topologiche capaci di ospitare stati Majorana, elementi fondamentali per i qubit fault-tolerant. Il materiale potrebbe essere utilizzato anche nei transmon qubit e negli amplificatori a basso rumore per circuiti RF criogenici. La compatibilità con la microelettronica convenzionale permette inoltre di costruire array di processori quantistici scalabili, riducendo costi di fabbricazione e consumo energetico. Il germanio offre un vantaggio decisivo in termini di integrazione, efficienza e purezza strutturale, risultando più economico e meno tossico rispetto ai superconduttori esotici impiegati finora.
Confronto con altri materiali superconduttori
Rispetto ai superconduttori basati su silicio o diamante, il germanio dopato con gallio mostra una mobilità superiore dei portatori, una temperatura critica più alta e una maggiore compatibilità con le tecniche industriali. A differenza di materiali come il niobio o l’alluminio, il germanio resiste meglio all’ossidazione e ai cicli termici ripetuti. Il materiale si distingue anche per la possibilità di crescita epitassiale su substrati di silicio, rendendolo ideale per applicazioni su larga scala e per la produzione industriale di sensori quantistici, processori criogenici e dispositivi neuromorfici.
Sfide e prospettive future
Nonostante i risultati promettenti, i ricercatori riconoscono che la temperatura critica di 3,5 K limita ancora l’uso pratico del materiale, richiedendo ambienti criogenici. Le prossime sfide includono l’aumento di Tc tramite ottimizzazione del doping o accoppiamenti ibridi con altri superconduttori, oltre alla riduzione dei costi di crescita su larga scala. Il controllo preciso della concentrazione di gallio e la riproducibilità su wafer più grandi saranno cruciali per la transizione industriale. Tuttavia, la compatibilità con i processi standard e l’elevato ordine strutturale aprono la prospettiva di integrare la superconduttività direttamente nel cuore dei chip quantistici del futuro.
