Điều Gì Xảy Ra Khi Chất Bán Dẫn Trở Thành Siêu Dẫn?
Nguồn: Đại học New York (New York University) | Ngày 4 tháng 11 năm 2025
Các nhà khoa học vừa đạt được một bước đột phá quan trọng khi biến germani (Ge) — một chất bán dẫn phổ biến — thành chất siêu dẫn nhờ kỹ thuật điều khiển nguyên tử chính xác. Thành tựu này có thể làm thay đổi căn bản tương lai của điện tử và công nghệ lượng tử, bằng cách tạo ra vật liệu có khả năng dẫn điện mà không hao tổn năng lượng.
Mục Tiêu Kéo Dài Nhiều Thập Kỷ
Trong nhiều năm, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực kết hợp hai đặc tính bán dẫn và siêu dẫn trong cùng một vật liệu. Nếu thành công, điều này sẽ mở ra thế hệ chip máy tính, cảm biến và pin mặt trời có hiệu suất cao hơn nhiều, tiêu thụ ít điện năng hơn, và hoạt động nhanh hơn. Tuy nhiên, việc tạo siêu dẫn trong các vật liệu như silic và germani vốn rất khó, do đòi hỏi cấu trúc tinh thể cực kỳ chính xác để các electron di chuyển mà không bị cản trở.
Đột Phá Với Germani
Một nghiên cứu mới công bố trên Nature Nanotechnology cho biết, nhóm các nhà khoa học quốc tế đã tạo ra một phiên bản germani có thể dẫn điện mà không có điện trở — đặc trưng cơ bản của chất siêu dẫn.
“Việc thiết lập tính siêu dẫn trong germani — vốn đã được sử dụng rộng rãi trong chip máy tính và cáp quang — có thể cách mạng hóa hàng loạt sản phẩm tiêu dùng và công nghệ công nghiệp,”
Giáo sư Javad Shabani (Đại học New York), Giám đốc Trung tâm Vật lý Thông tin Lượng tử NYU, cho biết.
Theo Peter Jacobson (Đại học Queensland, Úc), kết quả này mở ra tiềm năng sản xuất quy mô lớn các thiết bị lượng tử, vì germani vốn đã là vật liệu chủ lực trong ngành công nghệ bán dẫn hiện đại.
Cơ Chế: Pha Tạp Gallium và Kiểm Soát Tinh Thể
Cả germani và silic đều thuộc nhóm IV với cấu trúc tinh thể tương tự kim cương, có tính chất điện tử trung gian giữa kim loại và chất cách điện — lý tưởng cho chế tạo thiết bị điện tử bền và linh hoạt. Để khiến chúng trở thành siêu dẫn, các nhà nghiên cứu đã pha tạp germani với gallium (Ga) nhằm tăng mật độ electron dẫn điện.
Thông thường, khi pha gallium ở nồng độ cao, cấu trúc tinh thể dễ bị phá vỡ. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật epitaxy bằng chùm tia phân tử (molecular beam epitaxy – MBE) kết hợp tia X tiên tiến để thay thế chính xác nguyên tử germani bằng nguyên tử gallium, duy trì cấu trúc ổn định dù nồng độ cao.
Nhờ đó, vật liệu thu được có khả năng dẫn điện siêu dẫn ở nhiệt độ 3,5 Kelvin (tương đương -453°F) — nghĩa là dòng điện di chuyển không có điện trở.
Kỹ Thuật Epitaxy – Chìa Khóa Của Độ Chính Xác Nguyên Tử
“Thay vì dùng phương pháp cấy ion, chúng tôi sử dụng epitaxy để đưa nguyên tử gallium trực tiếp vào mạng tinh thể của germani,”
nhà vật lý Julian Steele (Đại học Queensland) cho biết.
“Nhờ kỹ thuật tăng trưởng tinh thể mỏng này, chúng tôi lần đầu tiên có thể kiểm soát chính xác cách mà hiện tượng siêu dẫn xuất hiện trong vật liệu bán dẫn.”
Giáo sư Shabani bổ sung:
“Các nguyên tố nhóm IV không tự nhiên có tính siêu dẫn, nhưng khi điều chỉnh cấu trúc tinh thể một cách phù hợp, ta có thể tạo điều kiện cho các cặp electron hình thành và di chuyển tự do — chính là nền tảng của siêu dẫn.”
Thông Tin Nghiên Cứu
Tên bài báo: Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films
Tác giả: Julian A. Steele, Patrick J. Strohbeen, Carla Verdi, Ardeshir Baktash, Alisa Danilenko, Yi-Hsun Chen, Jechiel van Dijk, Frederik H. Knudsen, Axel Leblanc, David Perconte, Lianzhou Wang, Eugene Demler, Salva Salmani-Rezaie, Peter Jacobson và Javad Shabani.
Xuất bản: Nature Nanotechnology, ngày 30 tháng 10 năm 2025.
DOI: 10.1038/s41565-025-02042-8
Các đơn vị tham gia: Đại học New York (NYU), Đại học Queensland, ETH Zurich và Đại học Bang Ohio.
Tài trợ: Cơ quan Nghiên cứu Khoa học Không quân Hoa Kỳ (U.S. Air Force Office of Scientific Research, FA9550-21-1-0338).
