كيف نجح العلماء في جعل أشباه الموصلات فائقة التوصيل

حدود الموصلية الفائقة

كانت الكهرباء واحدة من أكثر التقنيات تحويلاً في التاريخ، حيث سمحت بنقل شكل مفيد للغاية من أشكال الطاقة لمسافات طويلة. لكن كل نظام كهربائي "عادي" يواجه مقاومة كهربائية، مما يؤدي إلى توليد الحرارة عند تطبيق تيار كهربائي.

هناك بديل: المواد فائقة التوصيل. تتميز هذه المواد بانعدام المقاومة الكهربائية، مما يسمح بتدفق تيارات كهربائية قوية للغاية دون توليد حرارة.

بدون الموصلية الفائقة، لن يكون من الممكن وجود الكثير من التكنولوجيا الحديثة، بما في ذلك مسرعات الجسيمات (على سبيل المثال، CERN), التصوير بالرنين المغناطيسي، و قطارات ماجليف.

ستكون الموصلية الفائقة مكونًا أساسيًا في المشاريع الضخمة والابتكارات التكنولوجية الواعدة، مثل ايتر و الانصهار النووي, سائقي الكتلة, أجهزة الكمبيوتر الكم، الخ.

يمكن أن تكون خطوط الطاقة الكهربائية الخالية من الخسائر أيضًا حاسمة في تطوير اتصالات الشبكة الطويلة للغاية، مما يساعد على حماية إنتاج الطاقة المتجددة من الظروف الجوية والمناطق الزمنية، وحل بعض القيود المفروضة على الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.

ومع ذلك، لم يُتقن الموصلية الفائقة حتى الآن إلا في المواد التي تُظهرها عند درجات حرارة منخفضة للغاية، بالكاد بضع درجات فوق الصفر المطلق، أو تحت ضغط عالٍ للغاية، أو كليهما.

وهذا لا يجعلها معقدة للغاية بالنسبة لأي تطبيق فحسب، بل حتى التطبيقات الأكثر تطلبًا (مثل القطار المغناطيسي، والتصوير بالرنين المغناطيسي، وما إلى ذلك)، فضلاً عن كونها مكلفة للغاية، مما يجعلها غير اقتصادية للعديد من التطبيقات التي يمكن أن تستفيد من المواد الفائقة التوصيل لأي استخدام واسع النطاق.

طرق عديدة للوصول إلى الموصلية الفائقة

يبدو الآن أن المادة المنتجة تحت ضغط مرتفع قد تكون قادرة على الاحتفاظ ببعض الموصلية الفائقة عند ضغط أقل من خلال طريقة تجريبية تسمى بروتوكول إخماد الضغط (PQP).

مؤخراً، حقق محل الطبقة الثنائية الملتوية من WSe2 (التنغستن والسيلينيوم) ويبدو أنها مادة جيدة مرشحة للموصلات الفائقة ذات درجات الحرارة العالية أيضًا.

فئة جديدة أخرى من الموصلات الفائقة المحتملة، النيكلات ثنائية الطبقات، ربما تمت إضافتها إلى القائمة هذا العام أيضًا.

ومع ذلك، فإن كل هذه المواد جديدة وغريبة نسبيا، مما يجعلها بعيدة إلى حد ما عن الإنتاج الضخم والنشر على نطاق واسع.

قد يتغير هذا بفضل اكتشاف إمكانية تحويل أشباه الموصلات القائمة على الجرمانيوم إلى موصلات فائقة. أجرى هذا البحث علماء من جامعة كوينزلاند (أستراليا)، وجامعة نيويورك، والمعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ (سويسرا)، وجامعة ولاية أوهايو، ونشروا نتائجهم في مجلة نيتشر نانوتكنولوجي.¹، تحت عنوان "الموصلية الفائقة في الأغشية الرقيقة الفوقية المستبدلة بالجرمانيوم والمشبعة بالجرمانيوم".

من أشباه الموصلات إلى الموصلات الفائقة

أشباه موصلات الجرمانيوم

الجرمانيوم والسيليكون كلاهما من عناصر المجموعة الرابعة، لهما بنية بلورية تشبه الماس. هذه البنية البلورية تجعلهما يتصرفان كعنصر بين المعدن (موصل للكهرباء) والعازل (غير موصل)، مما يجعلهما مفيدين في إنتاج أشباه الموصلات.

إن إنتاج أشباه الموصلات الجرمانيومية مفهوم جيدًا ويتم تنفيذه على نطاق واسع لمختلف الأجهزة الإلكترونية والبصرية. لقد كان في الواقع أحد المواد الأولى المستخدمة في الثنائيات والترانزستورات، وتم استبداله بالسيليكون فقط بفضل انخفاض تكاليفه و استقرار حراري متفوق.

اليوم، يتم إنتاج الجرمانيوم، الذي يعد عنصراً أساسياً في صناعة الإلكترونيات والبصريات تحت الحمراء، بما في ذلك أجهزة الاستشعار على الصواريخ والأقمار الصناعية الدفاعية، في الغالب من مناجم الزنك والموليبدينوم.

لإنشاء الموصلية الفائقة، تحتاج إلى اقتران الإلكترونات، مما يسمح لها بالتحرك عبر المادة دون مقاومة.

في عام 2023، تم العثور على مرحلة فائقة التوصيل في أفلام الجرمانيوم، وهو العمل الذي أجراه الباحثون المسؤولون عن هذا الاكتشاف الأخير، وهو خلط مادة الغاليوم بالجرمانيوم.

المصدر ResearchGate

"يعمل هذا لأن عناصر المجموعة الرابعة لا تكون موصلة فائقة بشكل طبيعي في ظل الظروف العادية، ولكن تعديل بنيتها البلورية يمكّن من تكوين أزواج إلكترونية تسمح بالموصلية الفائقة."

جواد شعباني – مدير مركز فيزياء المعلومات الكمومية في جامعة نيويورك.

إمكانية التوسع

وفي حين أثبتت المحاولات السابقة لخلق سلوك فائق التوصيل في أشباه الموصلات مثل الجرمانيوم والسيليكون صحة هذا المفهوم، فقد واجهت صعوبات في بناء هذا السلوك على نطاق واسع.

تمثلت التحديات الرئيسية في الحفاظ على البنية الذرية مع خصائص توصيل مناسبة. عادةً، تُزعزع المستويات العالية من الغاليوم استقرار البلورة، مما يمنع الموصلية الفائقة.

ومع ذلك، فهذه فكرة واعدة، حيث أن تصنيع أشباه الموصلات الجرمانيوم هي تقنية مفهومة للغاية، مع وجود الكثير من المعدات الجاهزة للاستخدام.

"يعتبر الجرمانيوم بالفعل مادة أساسية في تقنيات أشباه الموصلات المتقدمة، لذا فإن إظهار قدرته على أن يصبح موصلًا فائقًا في ظل ظروف نمو خاضعة للرقابة يفتح المجال الآن أمام أجهزة كمية قابلة للتطوير وجاهزة للاستخدام في المصانع."

الدكتور بيتر جاكوبسون – باحث في جامعة كوينزلاند

طريقة إنتاج جديدة

تحاول معظم طرق التنشيط إدخال الأيونات في المادة، ولكنها تؤدي إلى نتائج غير منتظمة. وبينما قد يكون ذلك كافيًا لتحسين أداء أشباه الموصلات، إلا أنه غير دقيق بما يكفي لتحفيز الموصلية الفائقة.

وبدلاً من ذلك، استخدم الباحثون تقنية تسمى التكاثر الشعاعي الجزيئي (MBE). يوجه حزم من المصادر الذرية أو الجزيئية على ركيزة ساخنة في بيئة ذات فراغ فائق (UHV).

المصدر اشرح ذلك الشيء

يتيح هذا التحكم الدقيق في تكوين الفيلم المتنامي وسمكه وإضافته.

"بدلاً من زرع الأيونات، تم استخدام تقنية الترابط الشعاعي الجزيئي (MBE) لدمج ذرات الجاليوم بدقة في الشبكة البلورية للجرمانيوم.

"إن استخدام عملية تكوين طبقات بلورية رقيقة يعني أنه بإمكاننا في النهاية تحقيق الدقة البنيوية اللازمة لفهم والتحكم في كيفية ظهور الموصلية الفائقة في هذه المواد."

الدكتور جوليان ستيل – باحث في جامعة كوينزلاند

وعند استخدام امتصاص الأشعة السينية المعتمد على السنكروترون، وجد الباحثون أن شوائب الجاليوم تندمج داخل شبكة الجرمانيوم، مما يؤدي إلى تشوه رباعي الزوايا لخلية الوحدة البلورية.

المصدر طبيعة التكنولوجيا النانوية

يؤدي هذا الترتيب البنيوي إلى إنشاء نطاق إلكتروني ضيق لظهور الموصلية الفائقة في الجرمانيوم.

المصدر طبيعة التكنولوجيا النانوية

والأمر الأكثر أهمية هو أن هذه الطريقة يمكن أن تعمل على نطاق مستوى الرقاقة، وهي نفس الطرق المستخدمة في إنتاج الرقائق الإلكترونية بكميات كبيرة.

المصدر ويفر وورلد

"أكد هذا العمل النظري أن ذرات الجاليوم تستبدل بسلاسة في شبكة الجرمانيوم، مما يخلق الظروف الإلكترونية للموصلية الفائقة.

إنه مثال أنيق لكيفية تمكن الحساب والتجربة معًا من حل مشكلة شكلت تحديًا لعلم المواد لأكثر من نصف قرن.

الدكتورة كارلا فيردي – باحثة في جامعة كوينزلاند

الاستخدامات

إن الموصلية الفائقة التي تنتجها هذه الطريقة ليست موصلية فائقة في درجة حرارة الغرفة، لأنها تتطلب درجات حرارة منخفضة تصل إلى 3.5 درجة كلفن (-269 درجة مئوية / -453 درجة فهرنهايت)، وهي ظاهرة لا تزال بعيدة عن الفهم في علم المواد.

ومع ذلك، فإن سهولة إنتاجها، باستخدام الآلات الراسخة التي تستخدمها صناعة أشباه الموصلات، يمكن أن تغير جذريا طريقة تصنيع الرقائق الفائقة الموصلية.

بدوره، قد يُحدث هذا تغييرًا جذريًا في كيفية إنتاج مواد الحواسيب الكمومية. على الأرجح، بدلًا من استخدام مواد فائقة التوصيل باهظة الثمن، قد يعتمد الحاسوب الكمومي المستقبلي على رقاقة شبه موصلة "عادية" من الغاليوم والجرمانيوم، تُحوّل إلى فائقة التوصيل في نقاط محددة من الرقاقة.

"تفتح هذه المواد الطريق لعصر جديد من الأجهزة الكمومية الهجينة ويمكن أن تدعم الدوائر الكمومية وأجهزة الاستشعار والإلكترونيات المبردة منخفضة الطاقة في المستقبل، والتي تحتاج جميعها إلى واجهات نظيفة بين المناطق الفائقة الموصلية وشبه الموصلة."

الدكتور بيتر جاكوبسون – باحث في جامعة كوينزلاند

مرر للتمرير →

الاستثمار في تصنيع أشباه الموصلات

TSMC

إن إنتاج أشباه الموصلات هي صناعة تهيمن عليها مجموعة من الخبرات المتخصصة والمعقدة، والحاجة إلى الإنتاج الضخم على نطاق واسع لتقليل التكاليف.

ولم تنجح أي شركة في إتقان هذا النموذج التجاري مثل شركة TSMC، الشركة التايوانية الرائدة عالميًا في تصنيع الرقائق فائقة التطور.

تُنتج شركة TSMC، بطبيعة الحال، رقائق السيليكون في الغالب، بما في ذلك أقوى رقائق العقدة بتقنية 3 و2 نانومتر. ولأنها تُنتج في الغالب أكثر الرقائق تطورًا وتكلفةً، فإنها تُسيطر على أكثر من نصف الإيرادات العالمية لصناعة مُسبك أشباه الموصلات.

المصدر اريك فلاينجام

تتجه شركة TSMC اليوم إلى البدء في إنتاج شرائح السيليكون في الولايات المتحدة، لا سيما مع الاستثمار الضخم في مصانعها الجديدة في أريزونا.

ومع ذلك، تعد شركة TSMC أيضًا خبيرة في الترانزستورات المتقدمة القائمة على الجرمانيوم وأشباه الموصلات الأخرى.

لذا، في حين تعتمد الشركة في معظم أرباحها الحالية على الرقائق المتقدمة وتصنيع أجهزة الذكاء الاصطناعي لشركات مثل Nvidia (NVDA )، كما يمكن أن تكون أيضًا أحد المستفيدين الرئيسيين من الاكتشاف الذي يمكن أن تنتجه طرق تصنيع أشباه الموصلات الشائعة.

أحدث أخبار وتطورات أسهم شركة TSMC (TSM)

الدراسة المشار إليها:

^{1. ستيل، جيه إيه، ستروهبين، بي جيه، فيردي، سي. وآخرون. الموصلية الفائقة في الأغشية الرقيقة الاستبدالية المكونة من الجرمانيوم والمشبعة بالجاليوم. نات. تقنية النانو. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02042-8}