Günümüz dijital çağında silikonun hakimiyeti sürüyor. Ancak sektörde yaygın olarak kullanılan diğer yarı iletkenlerde olduğu gibi, silikonun elektronik davranışını etkilemek amacıyla eser miktarda başka elementler de ekleniyor. Bu işleme doping deniyor.
Bilim insanları şimdi dopingi yeni bir seviyeye taşıyarak, silikona benzeyen bir yarı iletken olan germanyumdaki her sekiz atomdan birini süperiletken galyum ile değiştirdiler. Böylece kuantum bilgisayarlar ve hassas sensörler gibi teknolojilerde kullanılabilecek yeni bir süperiletken malzeme elde edildi.
Bu yaklaşımla silikonun da yakın zamanda bu yöntemle üretilebileceği düşünülürken, hali hazırda endüstride yaygın olarak kullanılan ve silikonla son derece uyumlu olan germanyumun bu keşifteki yeri büyük önem taşıyor. Araştırmacılar bu yaklaşımı, 30 Ekim'de Nature Nanotechnology dergisinde yayımlanan yeni bir çalışmada detaylandırdılar.
Çalışmanın ortak yazarlarından biri olan ve New York Üniversitesi'nde fizik profesörü olarak görev yapan Javad Shabani, bu keşifle ilgili heyecan verici pek çok neden olduğunu belirtti.
Bir yarı iletkeni süperiletken hale getirecek kadar doping yapma fikri ilk olarak 1964 yılında Marvin Cohen tarafından ortaya atılmıştı. Bu fikir, 2000'li ve 2010'lu yıllarda birçok grubun, teorik olarak öngörülen yeni fazı elde edip edemeyeceklerini görmek için silikon ve germanyumu süperiletken metallerle bombardımana tabi tutmaya çalışmasıyla yeniden canlandı. Ancak bu denemelerde sorunlar yaşandı.
Shabani, bombardıman yönteminin kristal yapıyı bozduğunu ve süperiletken davranış için daha ileri deneyler yapabilmek adına malzemenin ısıtılıp tavlanması gerektiğini açıkladı. Bu durum, doping atomlarının sadece süperiletken bir malzemenin adacığını mı oluşturduğu, yoksa bombardımana uğrayan elementte yeni bir süperiletken fazın mı oluştuğu konusunda belirsizliğe yol açtı. Shabani ve ekibi de bu deneyleri denemiş, ancak sonuçların mevcut bulmacaya sadece yeni bir parça eklediğini ifade etmişti.
Katman Umudu
Nihayetinde, moleküler ışın epitaksisi adı verilen bir teknikle ilerleme kaydedildi. Bu yöntemde, germanyum kristal tabaka tabaka üretildi. Germanyum yüzeyi, her birim hücredeki bir galyum atomunun bir germanyum atomunun yerini alması için doğru koşullar ve galyum atomu konsantrasyonu ile işlendi.
Shabani, moleküler ışın epitaksisinin denemeye değer olabileceğini düşünenlerin yalnız olmadığını söyledi. Ancak, örneğin bir suya ne kadar çok şeker çözebileceğiniz gibi, belirli bir noktaya kadar çözebileceğiniz ancak bu noktadan sonra daha fazla şeker eklenemeyeceği ve katı halde kalacağı gibi, çözünürlük sınırları benzeri varsayımlara dayanan olumsuz spekülasyonlar nedeniyle bu denemeler teşvik edilmemişti. Bu argümanlar, doping için de belirli bir sınırın ötesinde dopantların eşit olarak dağılmayıp bir araya toplanacağı şeklinde yorumlanıyordu.
Ancak moleküler ışın epitaksisi ile doping, tamamen farklı bir süreçtir. İki malzeme birlikte katmanlar halinde yerleştirilir, bu nedenle çözünürlük sınırlarına benzer bir durumla sınırlı değildir. Shabani, hiçbir yasanın ihlal edilmediğini belirterek, bu sürecin yalnızca "bir şeyin üzerine bir şey püskürtmek" gibi olduğunu söyledi.
Elde ettikleri malzemeyi kontrol etmek için Shabani ve ekibi, örneklerini Avustralya'daki Queensland Üniversitesi'ndeki meslektaşlarına göndererek son teknoloji ekipmanlarla karakterize ettirdiler. Karakterizasyon deneylerine yardımcı olan Queensland Üniversitesi araştırmacılarından Julian Steele'in de belirttiği gibi, genellikle "gereken hassasiyet", germanyumun derinliklerindeki ilginç süperiletken katmanı karakterize etmek için deneysel olarak "çözülemez" oluyordu.
Steele, e-posta yoluyla yaptığı açıklamada, "Tanımlanmış kristal katmanların ve atom düzeyinde hassasiyetle veri üretmek için bir arada çalışan çok hassas ölçümlerin şanslı bir kombinasyonu oldu. Sonuç, yeni ve büyüleyici bir kuantum malzemesinin inkar edilemez derecede net bir resmidir" dedi.
Araştırmacılar ayrıca, süperiletkenlik geçiş sıcaklığının 3.5 Kelvin (mutlak sıfırın biraz üzerinde) olduğunu belirtti. Bu sıcaklık son derece soğuk olsa da, saf galyumda süperiletkenliği sağlamak için gereken 1 Kelvin'den daha sıcak. Shabani'nin vurguladığı gibi, normalde geçiş sıcaklığının "ebeveyn" süperiletkeninden (bu durumda galyum) daha düşük olması beklenir. Bu durum, süperiletken davranış için bilinen mekanizmalardan hangisinin burada rol oynadığına dair ilgi çekici soruları gündeme getiriyor.
Cohen, e-posta yoluyla yaptığı açıklamada, "Altmış yıldan uzun süre önce başlattığım, dopingli yarı iletkenlerde süperiletkenlik alanında başarılarla devam eden araştırmaları görmek çok tatmin edici. Bu tür sistemler aracılığıyla süperiletkenlik hakkında hala öğrenecek çok şey olduğuna inanıyorum" dedi.
Daha Güçlü Kuantum Bitleri Üretimi
Karakterizasyon deneylerine yardımcı olan Queensland Üniversitesi araştırmacılarından Peter Jacobson, özellikle "bozulmanın ne kadar net ortaya çıktığı" konusunda etkilendiğini belirtti.
Her bir katmanın düzlemindeki atomların arasındaki mesafenin, saf germanyum tohum katmanından neredeyse hiç değişmediğini, ancak biraz daha büyük olan galyum atomlarını barındırmak için düzleme dik olan mesafenin hafifçe arttığını belirtti. "Bu davranışın bu kadar net görülmesi, bu filmlerdeki düzensizliğin ne kadar az olduğunun güçlü bir göstergesidir" dedi.
Bu düşük düzensizlik, yarı iletken ve süperiletken malzemeden oluşan alternatif katmanları "büyütmek" isteyen herkes için iyi bir haber. Daha önce bu mümkün değildi.
Bu durum, bir wafer üzerinde elde edilebilecek cihaz yoğunluğunu önemli ölçüde artırıyor, çünkü bu, 3D yığınlar oluşturulabileceği anlamına geliyor. Shabani, süperiletken malzeme arasında süperiletken olmayan bir malzeme sandviçlenen bir Josephson eklemi örneğini verdi. Bunlar, kuantum algılamada ve kuantum bilgisayarlardaki kuantum bitleri (qubit) için kullanılabilir.
Shabani, "Bir wafer üzerine 25 milyon tane sığdırabilirsiniz" dedi. Mevcut durumda her bir Josephson ekleminin yaklaşık bir milimetre boyutunda olduğunu ve ekledi: "Bunların her biri bir qubit olabilir. Bir sensörün bir pikseli olabilir, değil mi?"
Kristal düzenliliğe yakın uyum, süperiletken qubit'lerin "dekoherans" olarak adlandırılan durumuna karşı korunmada ek faydalar sağlayabilir. Qubit'ler dekoheransa uğradığında, aynı anda birden fazla değeri tutma yeteneğini kaybeder ve belirli bir değer için öbeklenir; aslında kuantum davranışının avantajı olmadan klasik bir qubit gibi davranırlar.
Bu, kuantum bilgisayar çabalarındaki önemli bir sorundur, ancak bu dekoheransın bir kısmının kullanılan malzemelerdeki amorf özelliklerle ilişkili olabileceği öne sürülmüştür. Doğrulanması için daha fazla deney gerekecek olsa da, bu moleküler ışın epitaksisi ile galyum katkılı germanyum yapılarındaki gelişmiş kristal yapının, qubit'lerin dekoheransa karşı daha dayanıklı olmasına yardımcı olabileceği belirtiliyor.
Alışılagelmiş üretim yöntemlerinin, germanyum ve silikon yarı iletken bilgisayar işlemcileri ve cihazları üretmek için kullanılmasıyla elde edilebilecek potansiyel avantaj oldukça açıktır.
Shabani, "Şimdi araç kutularına süperiletkenliği yeni bir öğe olarak ekleyebilecek trilyon dolarlık bir silikon-germanyum altyapınız var. Bu, katı hal kuantum bilgisayarlarını gerçekten hızlandırabilir. Zaman çizelgesi gerçekten küçülebilir" dedi.
