Bán dẫn siêu dẫn | Bước đột phá mới trong công nghệ siêu dẫn

Các nhà khoa học đã tạo ra dạng bán dẫn siêu dẫn. Một bước đột phá giúp hợp nhất hai công nghệ nền tảng là bán dẫn và siêu dẫn. Mở đường cho thế hệ chip và thiết bị lượng tử tiết kiệm năng lượng.

Giấc mơ siêu dẫn

Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực tạo ra vật liệu bán dẫn có khả năng siêu dẫn. Những vật liệu có thể dẫn điện mà không có điện trở.

Nếu thành công, các vật liệu nền tảng như silicon và germanium sẽ có thể hoạt động nhanh hơn, hiệu quả hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Tuy nhiên, việc biến chúng thành vật liệu siêu dẫn luôn là một thách thức lớn. Việc này đòi hỏi cấu trúc nguyên tử cực kỳ tinh vi để electron có thể di chuyển tự do.

Giờ đây, một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã đạt được điều từng được xem là không thể. Trong nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology, họ báo cáo đã tạo ra một dạng germanium siêu dẫn. Vật liệu có khả năng dẫn điện mà không tiêu hao năng lượng. Cho phép dòng điện lưu thông mãi mãi mà không bị mất mát.

Khám phá này có thể cách mạng hóa công nghệ điện tử và lượng tử. Khi vật liệu vừa là bán dẫn vừa là siêu dẫn có thể giúp tăng tốc độ xử lý. Ngoài ra còn giúp giảm tiêu thụ điện năng và mở ra thế hệ chip lượng tử mới.

>>>> Cách đi bộ để bạn luôn khỏe mạnh mà không tốn thời gian!!!

Khi bán dẫn trở thành siêu dẫn

Giáo sư Javad Shabani cho biết:

“Việc thiết lập tính siêu dẫn trong germanium – vốn đã được sử dụng rộng rãi trong chip máy tính và cáp quang – có thể mở ra một kỷ nguyên mới cho hàng loạt sản phẩm điện tử và công nghệ công nghiệp.”

Nhà vật lý Peter Jacobson từ Đại học Queensland bổ sung:

“Những vật liệu này có thể trở thành nền tảng cho các mạch lượng tử, cảm biến và thiết bị điện tử siêu lạnh trong tương lai, nơi cần sự kết nối hoàn hảo giữa vùng siêu dẫn và bán dẫn.”

Ông cho biết thêm:

“Germanium vốn là vật liệu chủ lực trong công nghệ bán dẫn tiên tiến, và giờ đây, việc chứng minh nó có thể trở thành siêu dẫn dưới điều kiện kiểm soát chính xác cho thấy tiềm năng phát triển thiết bị lượng tử quy mô công nghiệp.”

Cơ chế chuyển đổi: Từ bán dẫn sang siêu dẫn

Cả germanium và silicon đều thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn, có cấu trúc tinh thể kim cương. Chúng nằm giữa kim loại và chất cách điện, vừa có tính linh hoạt vừa bền vững, nên được dùng phổ biến trong công nghiệp điện tử.

Để biến các nguyên tố này thành siêu dẫn, các nhà khoa học phải thay đổi cấu trúc nguyên tử để tăng số electron tự do. Việc này cho phép chúng ghép cặp và di chuyển qua mạng tinh thể mà không gặp điện trở.

Đây là quá trình cực kỳ khó điều khiển ở cấp độ nguyên tử.

Trong nghiên cứu mới, nhóm đã phát triển màng germanium pha tạp (doped) nặng với gallium. Đây là một nguyên tố mềm thường dùng trong điện tử.

Pha tạp (doping) là kỹ thuật quen thuộc nhằm thay đổi tính chất điện của vật liệu. Tuy nhiên, khi mức gallium quá cao, cấu trúc tinh thể thường bị phá vỡ, khiến siêu dẫn không thể xảy ra.

>>>> Google của cả bộ gen cuối cùng cũng ra mắt ở đây!!

Làm chủ cấu trúc tinh thể bằng công nghệ epitaxy

Nhóm đã sử dụng phương pháp epitaxy bằng chùm tia phân tử (molecular beam epitaxy) và kỹ thuật tia X tiên tiến. Nhóm nghiên cứu đã kiểm soát được quá trình gallium thay thế các nguyên tử germanium trong mạng tinh thể.

Dù có sự biến dạng nhẹ, cấu trúc tổng thể vẫn ổn định và cho phép dòng điện chạy không có điện trở ở 3.5K. Điều này xác nhận germanium đã trở thành siêu dẫn.

Nhà vật lý Julian Steele từ Đại học Queensland cho biết:

“Thay vì dùng cấy ion, epitaxy giúp chúng tôi gắn chính xác nguyên tử gallium vào mạng tinh thể germanium, đạt độ chính xác nguyên tử cần thiết để hiểu và kiểm soát cách siêu dẫn xuất hiện.”

Theo Shabani,

“Các nguyên tố nhóm IV không tự nhiên có tính siêu dẫn, nhưng khi điều chỉnh cấu trúc tinh thể, chúng có thể hình thành các cặp electron tạo nên trạng thái siêu dẫn.”

Tiềm năng ứng dụng trong công nghệ lượng tử

Thành tựu này đánh dấu bước tiến quan trọng hướng tới việc tích hợp tính siêu dẫn vào chính vật liệu bán dẫn. Những vật liệu đang vận hành các thiết bị điện tử ngày nay.

Nếu được ứng dụng rộng rãi, công nghệ này có thể làm thay đổi toàn bộ cấu trúc của máy tính, cảm biến và hệ thống lượng tử. Việc này sẽ mở ra kỷ nguyên thiết bị hiệu suất cao, tiêu thụ năng lượng cực thấp.

>>>> Nghiên cứu được đăng trên tại chí Nature Nanotechnology ngày 30/10/2025

>>>> Xem thêm: Liệu pháp junk DNA giúp loại bỏ tế bào ung thư nhanh hơn!

>>>> Xem thêm nhưng bài viết thú vị về khoa học khác ở đây nè!!!