Пленка из германия стала сверхпроводником благодаря галлию

Физики из Австралии и США вырастили кристаллические пленки германия, в которых почти пятая часть атомов заменена галлием. При такой концентрации примеси материал стал сверхпроводником с критической температурой 3,5 кельвина. Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

Сделать сверхпроводники из кремния или германия физики пытаются не один десяток лет. Эти элементы лежат в основе всей современной микроэлектроники, поэтому возможность превратить их в сверхпроводники открыла бы путь к новым типам квантовых схем — от кубитов до интегрированных джозефсоновских переходов. Изменить электропроводные свойства в полупроводнике можно при помощи примесей, однако для проявления сверхпроводящих свойств требуется огромное количество примеси. При попытках легировать кристалл до возникновения сверхпроводящих свойств обычно возникает беспорядок в его структуре: атомы примеси собираются в кластеры, кристаллическая решетка теряет упорядоченность, и материал перестает быть пригодным для изготовления устройств. До сих пор устойчивую сверхпроводимость в германии наблюдали только в аморфных или дефектных пленках, полученных имплантацией и коротким отжигом.

Группа физиков под руководством Джулиана Стила (Julian Steele) из Университета Квинсленда и Джавада Шабани (Javad Shabani) из Нью-Йоркского университета применила молекулярно-пучковую эпитаксию, чтобы вырастить тонкие пленки германия, легированные галлием. Ученым удалось достичь рекордной концентрации носителей — около 4 × 10²¹ на кубический сантиметр, что соответствует 17,9 процента атомов галлия в узлах решетки. При этом кристаллический порядок сохранялся: дифракционные эксперименты показали, что галлий замещает атомы германия, слегка искажая решетку и превращая ее в тетрагональную. Такая упорядоченная деформация, по расчетам исследователей, создает узкую электронную зону с тяжелыми носителями, где и возникает сверхпроводимость.

Исследователи обнаружили, что сопротивление образцов падало до нуля при 3,5 кельвина — то есть возникает сверхпроводящее состояние. Более того, эффект сохранялся даже после технологической обработки. Расчеты показали, что материал ведет себя как фононный сверхпроводник, в котором куперовские пары формируются благодаря взаимодействию с мягкими колебаниями решетки. В спектрах комбинационного рассеяния действительно появились новые низкоэнергетические моды, связанные с этими колебаниями.

По словам ученых, созданные тонкие пленки и многослойные структуры с германием обладают идеально согласованными границами и пригодны для интеграции в полупроводниковые схемы. Авторы считают, что подобные материалы можно использовать для изготовления монолитных джозефсоновских переходов и других элементов квантовой электроники на основе привычных технологий германия.

Более подробно о том, как современная физика объясняет эффект сверхпроводимости в различных материалах, читайте в нашем материале «Ниже критической температуры».