Các nhà khoa học vừa đạt được thành công trong việc biến germanium – một chất bán dẫn phổ biến – thành chất siêu dẫn nhờ kỹ thuật điều khiển nguyên tử cực kỳ chính xác. Thành tựu này có thể mở ra kỷ nguyên mới cho điện tử và mạch lượng tử, khi năng lượng điện có thể truyền đi không tổn hao.
Trong nhiều năm qua, giới nghiên cứu luôn tìm cách tạo ra các vật liệu bán dẫn có khả năng siêu dẫn, nhằm nâng cao hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho các công nghệ như chip máy tính, pin mặt trời hay cảm biến lượng tử. Nếu có thể kết hợp được hai đặc tính này trong cùng một vật liệu, con người sẽ tiến gần hơn đến thế hệ thiết bị nhanh hơn, hiệu quả hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
Tuy nhiên, hiện thực hóa ý tưởng này không hề đơn giản. Những vật liệu nền tảng của điện tử hiện nay như silicon và germanium vốn rất “bướng bỉnh” trong việc trở thành siêu dẫn, bởi để đạt được điều đó, cấu trúc nguyên tử phải được duy trì ở mức hoàn hảo, giúp các electron di chuyển trơn tru mà không bị cản trở — một yêu cầu cực kỳ khó khăn về mặt vật lý và công nghệ.
Tiềm năng cách mạng cho công nghệ lượng tử và thiết bị tiêu dùng
Trong một nghiên cứu vừa công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology , một nhóm khoa học quốc tế đã tạo ra phiên bản germanium có khả năng siêu dẫn. Loại vật liệu mới này có thể dẫn điện mà không gặp bất kỳ điện trở nào, cho phép dòng điện lưu thông vô tận mà không hao tổn năng lượng.
Đây là bước tiến quan trọng, mở ra khả năng tạo ra các mạch điện tử nhanh hơn, tiêu thụ ít điện năng hơn và thân thiện với môi trường hơn trong tương lai.
“Việc thiết lập được tính siêu dẫn trong germanium – vốn đã được sử dụng rộng rãi trong chip máy tính và cáp quang – có thể cách mạng hóa hàng loạt sản phẩm công nghệ và thiết bị công nghiệp ,” giáo sư Javad Shabani, nhà vật lý tại Đại học New York (NYU) kiêm Giám đốc Trung tâm Vật lý Thông tin Lượng tử, chia sẻ.
Nhà vật lý Peter Jacobson thuộc Đại học Queensland – đồng tác giả nghiên cứu – bổ sung:
Các vật liệu này có thể trở thành nền tảng cho mạch lượng tử, cảm biến, và các thiết bị điện tử siêu tiết kiệm năng lượng hoạt động ở môi trường cryogenic (nhiệt độ cực thấp). Germanium vốn là ‘con ngựa thồ’ của ngành bán dẫn tiên tiến, và nay, việc chứng minh nó có thể trở thành siêu dẫn trong điều kiện kiểm soát tốt mở ra khả năng sản xuất quy mô lớn cho các thiết bị lượng tử thế hệ mới.
Vì sao germanium và silicon lại quan trọng đến vậy?
Germanium và silicon đều thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn, sở hữu cấu trúc tinh thể dạng kim cương, tạo nên tính chất điện học nằm giữa kim loại và chất cách điện. Nhờ đặc điểm đó, chúng trở thành vật liệu lý tưởng cho các thiết bị bền, ổn định và dễ chế tạo.
Để biến những vật liệu này thành siêu dẫn, các nhà khoa học phải điều chỉnh cấu trúc nguyên tử sao cho số lượng electron dẫn điện tăng lên. Khi đạt đến ngưỡng cần thiết, các electron sẽ kết cặp và di chuyển tự do trong tinh thể mà không gặp điện trở – hiện tượng nền tảng của siêu dẫn. Tuy nhiên, duy trì được trạng thái này ở cấp độ nguyên tử lại là thử thách vô cùng khó khăn.
Trong nghiên cứu mới, nhóm khoa học đã tạo ra màng germanium pha tạp gallium – một nguyên tố mềm, phổ biến trong công nghiệp điện tử. Quá trình này, gọi là “doping”, được sử dụng từ lâu để thay đổi đặc tính điện của chất bán dẫn. Nhưng nếu thêm quá nhiều gallium, vật liệu sẽ mất ổn định, tinh thể bị phá vỡ và không thể siêu dẫn.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã khắc phục được hạn chế đó bằng kỹ thuật X-quang tiên tiến, giúp ép các nguyên tử gallium thay thế vị trí của nguyên tử germanium trong tinh thể ở nồng độ cao mà vẫn giữ được cấu trúc ổn định.
Kết quả là, vật liệu mới có thể dẫn điện hoàn toàn không điện trở ở nhiệt độ 3,5 Kelvin (tương đương –453°F), tức đã chính thức trở thành chất siêu dẫn.
Nhà vật lý Julian Steele (Đại học Queensland), đồng tác giả, cho biết:
Thay vì cấy ion như thông thường, nhóm đã sử dụng phương pháp epitaxy chùm phân tử (molecular beam epitaxy) để cấy chính xác các nguyên tử gallium vào mạng tinh thể germanium. Nhờ đó, chúng tôi có thể đạt được độ chính xác cấu trúc ở cấp độ nguyên tử, điều kiện cần để quan sát và điều khiển sự hình thành siêu dẫn trong vật liệu này.
Bản thân các nguyên tố nhóm IV như silicon hay germanium không có khả năng siêu dẫn trong điều kiện tự nhiên. Nhưng khi tinh thể của chúng được tinh chỉnh đúng cách, các cặp electron có thể hình thành và di chuyển tự do, tạo ra trạng thái siêu dẫn – điều từng được xem là bất khả thi với vật liệu bán dẫn truyền thống.
