Süperiletken yarı iletkenler geri döndü: 60 yıllık fikir gerçek oldu

Dijital çağda silikon hâlâ elektronik dünyanın temel direği.

Ancak tıpkı sektörde kullanılan diğer yarı iletkenlerde olduğu gibi, silikona az miktarda farklı elementler eklenerek elektronik özellikleri değiştiriliyor.

Bu süreç "doping" olarak biliniyor.Bilim insanları şimdi bu tekniği çok daha ileri taşıdı: Silikona benzer bir yarı iletken olan germanyumun her sekiz atomundan birini süperiletken gallium ile değiştirerek tamamen yeni bir süperiletken malzeme yaratmayı başardılar.

Bu yeni yapı, özellikle kuantum bilişim ve gelişmiş sensör teknolojilerinde kullanılabilecek nitelikte.Bu yaklaşımın bir sonraki adımı silikon olsa da germanyumun sektörde hâlihazırda yaygın olarak kullanılması ve silikonla yüksek uyumluluk göstermesi, yöntemi daha da cazip kılıyor.

Bulgular, 30 Ekim’de Nature Nanotechnology dergisinde yayımlandı.New York Üniversitesi fizik profesörü ve çalışmanın ortak yazarı Javad Shabani, Live Science’a yaptığı açıklamada, “Bu sonuçlar gerçekten heyecan verici” dedi.Süperiletken yarı iletken fikri 60 yıl önce ortaya atılmıştıBir yarı iletkeni yoğun doping yoluyla süperiletken hâle getirme fikri ilk kez 1964’te Marvin Cohen tarafından önerildi. 2000’ler ve 2010’larda farklı araştırma grupları bu fikri gerçekleştirmek için silikon ve germanyumu süperiletken metallerle bombardıman etti, ancak birçok teknik sorunla karşılaşıldı.Shabani, bu yöntemin kristal yapıyı bozduğunu ve sonrasında ısıtıp “tavlama” işlemi gerektiğini belirtiyor.

Bu durumda, ortaya çıkan süperiletkenliğin gerçekten yeni bir faz mı yoksa sadece dopant atomlarının toplandığı küçük bir süperiletken ada mı olduğu belirsiz kalıyordu.

Kendi ekipleri de denemelerine rağmen sadece “bulmacaya yeni parçalar eklediklerini” söylüyor.Molecular Beam Epitaxy: Kırılma noktasıGerçek ilerleme, “moleküler ışın epitaksisi” (MBE) adı verilen yönteme geçişle sağlandı.

Bu teknikte kristal yapı katman katman oluşturuluyor.

Araştırmacılar germanyum yüzeyini, doğru koşullar ve uygun miktarda gallium ile birleştirerek her hücreye kontrollü şekilde bir gallium atomu yerleştirmeyi başardı.Shabani, yöntemin daha önce pek tercih edilmemesinin sebebinin yanlış varsayımlar olduğunu söylüyor.

Şekerin su içinde belli bir noktaya kadar çözünmesi örneği gibi, dopingin de bir “çözünürlük sınırı” olduğu düşünülüyordu.

Ancak MBE yönteminde malzeme çözeltiye karıştırılmıyor; atomlar birlikte yüzeye püskürtülerek yerleştiriliyor.

Bu nedenle böyle bir sınır söz konusu değil.“Temelde bir şeyin üzerine başka bir şeyi püskürtüyoruz, fizik kurallarına aykırı hiçbir durum yok,” diye açıklıyor.Atomik hassasiyette ölçümlerAraştırmacılar, her sekiz germanyum atomundan birinin galyumla değiştirildiği bir malzeme üretiyor, böylece süper iletken oluyor ama yine de germanyum yarı iletkenleriyle arayüz oluşturuyor. (Görüntü: Patrick Strohbeen/NYU)Ekip, ürettikleri örnekleri karakterize etmek üzere Avustralya’daki Queensland Üniversitesi’ne gönderdi.

Araştırmacı Julian Steele, normalde germanyumun içinde gömülü bu ince süperiletken tabakanın ölçülmesinin “neredeyse imkânsız” olduğunu belirtti.

Ancak kristal tabakalardaki düzenlilik ile son derece hassas ölçüm cihazlarının birleşimi, atom seviyesinde kesin sonuçlar elde etmelerini sağladı.Sonuç: Yeni bir kuantum malzemesinin son derece net bir görüntüsü ortaya çıktı.Araştırmacılar, süperiletken geçiş sıcaklığının 3,5 Kelvin olduğunu söylüyor.

Bu sıcaklık, saf galliumun ihtiyaç duyduğu 1 Kelvin’den daha yüksek.

Normalde dopant eklendiğinde bu sıcaklığın daha da düşmesi beklenirken tam tersi bir durum yaşanması, ilginç fiziksel mekanizmaların devreye girdiğini düşündürüyor.Cohen ise “60 yıl önce başlattığım bu alanda ilerlemeyi görmek beni mutlu ediyor.

Bu tür sistemlerde keşfedilecek çok şey var,” diyor.Kuantum bilgisayarlar için daha dayanıklı qubit'lerQueensland Üniversitesi'nden Peter Jacobson, kristal yapıda doping sonrası meydana gelen atomik deformasyonun ne kadar net görülebildiğine hayran kaldığını söylüyor.

Germanyuma eklenen daha büyük gallium atomları, dikey yönde hafif bir genişleme oluşturuyor ve bu davranış kristalin ne kadar düzenli olduğunun göstergesi.Bu düşük düzensizlik, yarı iletken ve süperiletken katmanların üst üste “yetiştirilmesine” olanak tanıyor.

Böyle bir yapı daha önce mümkün değildi.

Bu yöntem sayesinde, katmanlar dikey olarak istiflenebiliyor ve çiplerde çok daha yüksek yoğunluk elde ediliyor.Shabani, Josephson birleşimlerini örnek veriyor: “Bir wafer üzerine 25 milyon tane yerleştirebilirsiniz.” Bu yapılardan her biri bir qubit ya da sensör pikseli olarak kullanılabilir.Ayrıca kristal düzenin bu kadar düzgün olması, kuantum bilgisayarlarda büyük bir sorun olan “dekoherans” problemine karşı daha dayanıklı qubit’ler geliştirilmesine yardımcı olabilir.

Dekoherans, qubit'in kuantum özelliklerini kaybetmesine ve klasik davranmasına yol açıyor.

Bu yeni yapıların daha düzenli olması, bu sorunu azaltabilir.Silikon-Germanyum altyapısına entegre edilebilirlik büyük avantajBelki de en önemli noktalardan biri, bu yöntemin hâlihazırda var olan milyar dolarlık silikon-germanyum üretim altyapısına uyumlu olması.

Shabani bu durumu şöyle özetliyor:“Trilyon dolarlık silikon-germanyum altyapınız artık süperiletkenliği de araç kutusuna ekleyebilir.

Bu da katı hâl kuantum bilgisayarlarının gelişimini ciddi şekilde hızlandırabilir.”