Internationales Forscherteam entwickelt einen neuen Halbleitertyp mit supraleitendem Potenzial, der Anwendungsfelder von Quantentechnologie bis Raumfahrt voranbringen könnte.
Ohne Halbleiter wie Silizium und Germanium kämen große Teile des modernen Alltags zum Stillstand. „Halb“, weil diese Materialien Strom unter bestimmten Bedingungen Elektrizität leiten. Diese Eigenschaft kann gesteuert und dafür genutzt werden, um elektrische Funktionen zu erfüllen. Halbleiter sind zentrale Bestandteile zahlreicher Technologien wie Mikrochips, LEDs und Photovoltaik.
Um die Leistung noch weiter zu steigern, versuchen Wissenschaftler seit Jahrzehnten, Halbleiter mit Supraleitern zu kombinieren. Diese Metalle und Verbindungen sind in der Lage, Strom bei sehr tiefen Temperaturen ohne elektrischen Widerstand, also praktisch verlustfrei, zu leiten. Bestehende Anwendungen könnten deutlich schneller und effizienter werden, während Zukunftstechnologien wie Quantencomputer einen großen Entwicklungssprung erleben würden. Die möglichen Anwendungen dieser Computer sind zahlreich, von der schnellen und passgenauen Entwicklung von Medikamenten oder Materialien über abhörsichere Kommunikation bis hin zu einer intelligenteren, umweltfreundlicheren Verkehrsführung. Weil Halbleiter und Supraleiter jedoch auf völlig unterschiedlichen atomaren Gegebenheiten beruhen, war ihre Verbindung bislang eine große Herausforderung.
Ein internationales Forscherteam könnte nun einen Durchbruch erreicht haben, wie in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology berichtet wird. Den Wissenschaftlern gelang es nach eigenen Angaben, eine supraleitende Form des Halbleiters Germanium herzustellen. Dafür wurde der Rohstoff mit Gallium dotiert, das bedeutet, dessen Fremdatome wurden gezielt eingebracht, um die elektrischen Eigenschaften des Germaniums zu verändern.
Moderne Röntgentechnik ermöglicht neue atomare Liaison
Normalerweise verliert das Material durch eine hohe Zugabe von Gallium an Stabilität, schreibt die beteiligte New York University. Um dies zu umgehen, nutzten die Wissenschaftler eine neue Methode, die auf fortschrittlichen Röntgentechniken basiert. Das Ergebnis: Germanium-Atome konnten in ungewöhnlich hoher Konzentration durch Gallium-Atome ersetzt werden, während die Kristallstruktur erhalten blieb. Zugleich entstand durch die präzise Anordnung des Galliums ein schmales Elektronenband, das Supraleitung bei -269,5 Grad Celsius ermöglicht.
Mit der Erfindung könnten Technologien transformiert werden, die saubere Übergänge zwischen halbleitenden und supraleitenden Regionen benötigen, erklärt Autor Peter Jacobson, Physiker an der University of Queensland. Künftig ließen sich auf dieser Grundlage möglicherweise skalierbare, fabrikfertige Quantenbauteile fertigen, wie Schaltkreise und Sensoren. Ein weiteres Einsatzgebiet wäre kryogene Elektronik, die bei extrem niedrigen Temperaturen betrieben wird und in Feldern wie Weltraumforschung und Teilchenbeschleuniger eine wichtige Rolle spielt.
Photo: Cappan via Canva
