Superconduttori da «vecchi» materiali semiconduttori

Alcuni ricercatori in Germania sono riusciti a trasformare il germanio (vecchio elemento semiconduttore) in un materiale superconduttore. I risultati, pubblicati sulla rivista Physical Review Letters, hanno implicazioni per la nano elettronica e per lo sviluppo di nuovi computer.

Lo studio è stato in parte finanziato dal progetto EuroMagNET («Un approccio coordinato per l'accesso, lo sviluppo sperimentale e lo sfruttamento scientifico delle grandi infrastrutture per alti campi magnetici«), che è stato finanziato con 3,68 Mio EUR nell'ambito dell'Area tematica «Infrastrutture» del Sesto programma quadro (6° PQ).

I semiconduttori trasportano la corrente elettrica e si usano per fare diversi tipi di dispositivi elettronici, dalle radio a transistor ai chip dei computer e ai pannelli solari. La superconduttività - osservata per la prima volta nel 1911 - è un fenomeno meccanico quantico e descrive la capacità di un materiale di trasferire la corrente molto velocemente, senza alcuna resistenza elettrica. Questo di solito avviene a temperature molto basse (leggermente sopra i -273 gradi Celsius, o gli 0 gradi Kelvin) o sotto una pressione molto alta.

I ricercatori cercavano un elemento che potesse offrire proprietà elettroniche prevedibili e affidabili. Esso doveva essere chimicamente puro ed avere una struttura cristallina perfetta, perché qualsiasi impurità o difetto, anche di piccolissima entità, può avere un impatto enorme sulla conduttività di un materiale. Per questo motivo si usano attualmente metodi speciali per sviluppare e purificare il cristallo.

Il silicio e il germanio sono noti semiconduttori «puri», elementi cioè che possono essere trasformati in materiali conduttori con l'aggiunta di atomi estranei alla loro struttura cristallina mediante un procedimento chiamato «drogatura». In questo progetto di ricerca, condotto presso il Centro di ricerca Dresden-Rossendorf (FZD) in Germania, alcuni campioni di germanio sono stati drogati con circa sei atomi di gallio per 100 atomi di germanio. È stato scelto il gallio perché è più solubile nel germanio rispetto al boro (che è stato usato con il silicio in studi precedenti).

Il risultato è stato uno strato di germanio «drogato» superconduttore spesso circa 60 nanometri. Gli esperimenti di follow-up hanno stabilito che potrebbe essere riprodotta la superconduttività del germanio e che può essere aumentata la temperatura alla quale l'elemento comincia a diventare superconduttore.

Il procedimento di drogatura però danneggia la struttura a reticolo del cristallo del germanio, che va quindi riparata se si vuole usare il materiale per la produzione. Per fare ciò, i ricercatori hanno usato un impianto di ricottura con lampada flash, che è in grado di riparare il reticolo cristallino distrutto riscaldando rapidamente la superficie senza disturbare la distribuzione degli atomi di drogatura.

Il nuovo materiale ha un grande potenziale, se non altro perché diventa superconduttore ad una temperatura sopra lo zero assoluto: i campioni di germanio drogato con il gallio sono diventati superconduttori a circa 0,5 Kelvin. I ricercatori pensano che questa temperatura potrà essere aumentata in futuri esperimenti in collaborazione, i quali perfezioneranno le tecniche di impianto degli ioni e di ricottura.

I risultati sono sorprendenti perché il germanio non era considerato un materiale promettente quanto il silicio o il diamante. Sebbene fosse usato nella prima generazione di transistor, era stato presto sostituito dal silicio. Questo rinnovato interesse per il germanio è strettamente legato alle dimensioni sempre più ridotte dei transistor e dei microchip: gli strati di ossido molto sottili sono necessari per i transistor, e l'ossido di silicio non funziona bene in dimensioni tanto ridotte. L'uso del germanio nei chip dei computer potrebbe portare a processi più veloci dando allo stesso tempo la possibilità di ulteriori miniaturizzazioni in applicazioni di micro e nano elettronica.

Per maggiori informazioni, visitare:

EuroMagNET:
http://www.euromagnet2.eu

Physical Review Letters:
http://prl.aps.org

Forschungszentrum Dresden Rossendorf:
http://www.fzd.dede