Come gli scienziati hanno reso i semiconduttori superconduttori

Limitazioni della superconduttività

L'elettricità è stata una delle tecnologie più trasformative della storia, consentendo la trasmissione di una forma di energia molto utile su lunghe distanze. Ma ogni sistema elettrico "normale" affronta una resistenza elettrica, che si traduce nella generazione di calore quando viene applicata una corrente elettrica.

Esiste un'alternativa: i materiali superconduttori. I materiali superconduttori hanno una resistenza elettrica pari a zero, consentendo il passaggio di correnti estremamente potenti senza generare calore.

Senza la superconduttività, molte tecnologie moderne non sarebbero possibili, compresi gli acceleratori di particelle (ad esempio, CERN), risonanza magnetica e treni Maglev.

La superconduttività sarà una componente cruciale dei megaprogetti e delle innovazioni tecnologiche più promettenti, come ITER and fusione nucleare, conducenti di massa, computer quantistici, ecc.

Le linee elettriche a perdita zero potrebbero inoltre rivelarsi cruciali nello sviluppo di collegamenti di rete ultra-lunghi, contribuendo a modulare la produzione di energie rinnovabili in base alle condizioni meteorologiche e ai fusi orari, risolvendo alcuni dei limiti dell'energia solare ed eolica.

Tuttavia, la superconduttività è stata finora padroneggiata solo per materiali che la mostrano a temperature ultra-basse, appena qualche grado sopra lo zero assoluto. O a pressione estremamente alta. O entrambe.

Ciò lo rende non solo troppo complesso per qualsiasi applicazione, se non per quelle più impegnative (maglev, risonanza magnetica, ecc.), ma anche molto costoso, rendendolo antieconomico per molte applicazioni che potrebbero trarre vantaggio dai materiali superconduttori per un utilizzo su larga scala.

Molti percorsi verso la superconduttività

Sembra ora che il materiale prodotto ad alta pressione potrebbe essere in grado di mantenere parte della sua superconduttività a pressioni più basse. attraverso un metodo sperimentale denominato protocollo pressure-quench (PQP).

Recentemente, il doppio strato ritorto di WSe₂ (tungsteno selenio) sembrava essere un buon candidato come materiale anche per i superconduttori ad alta temperatura.

Un'altra nuova classe di potenziali superconduttori, i nichelati bilayer potrebbero essere stati aggiunti anche quest'anno alla lista.

Tuttavia, tutti questi materiali sono relativamente nuovi ed esotici, il che li rende piuttosto lontani dalla produzione di massa e dall'impiego su larga scala.

Questa situazione potrebbe cambiare, grazie alla scoperta che i semiconduttori a base di germanio possono essere trasformati in superconduttori. Questa ricerca è stata condotta da scienziati dell'Università del Queensland (Australia), della New York University, dell'ETH di Zurigo (Svizzera) e della Ohio State University, che hanno pubblicato i loro risultati su Nature Nanotechnology.¹, sotto il titolo “Superconduttività in film sottili epitassiali di Ge iperdrogato con Ga sostituzionale".

Dai semiconduttori ai superconduttori

Semiconduttori al germanio

Il germanio e il silicio sono entrambi elementi del cosiddetto Gruppo IV, con strutture cristalline simili a quelle del diamante. Questa struttura cristallina li fa comportare come qualcosa di intermedio tra un metallo (conduttore di elettricità) e un isolante (non conduttore), rendendoli utili per la produzione di semiconduttori.

La produzione di semiconduttori al germanio è già ampiamente compresa e realizzata su larga scala per vari dispositivi elettronici e ottici. In realtà era uno dei primi materiali utilizzati per diodi e transistor, ed è stato sostituito dal silicio solo grazie ai suoi costi più bassi e stabilità termica superiore.

Oggigiorno il germanio, fondamentale per l'elettronica e l'ottica a infrarossi, compresi i sensori sui missili e sui satelliti di difesa, viene prodotto principalmente nelle miniere di zinco e molibdeno.

Per creare la superconduttività, è necessario che gli elettroni si accoppino, consentendo loro di muoversi attraverso il materiale senza resistenza.

Già nel 2023 è stata trovata una fase superconduttrice nei film di germanio, un lavoro condotto dai ricercatori responsabili di questa ultima scoperta, drogando il materiale di gallio con germanio.

Fonte: ResearchGate

"Questo funziona perché gli elementi del gruppo IV non sono naturalmente superconduttori in condizioni normali, ma modificando la loro struttura cristallina si consente la formazione di coppie di elettroni che consentono la superconduttività."

Javad Shabani – Direttore del Centro di fisica quantistica dell'informazione della New York University.

Potenziale di espansione

Sebbene i precedenti tentativi di creare un comportamento superconduttore in semiconduttori come il germanio e il silicio abbiano dimostrato il concetto, hanno avuto difficoltà a realizzarlo su larga scala.

Il problema principale era mantenere la struttura atomica con adeguate proprietà di conduzione. Normalmente, alti livelli di gallio destabilizzano il cristallo, impedendo la superconduttività.

Si tratta comunque di un'idea promettente, poiché la produzione di semiconduttori al germanio è una tecnologia molto conosciuta e dispone di numerose attrezzature pronte all'uso.

"Il germanio è già un materiale di punta per le tecnologie avanzate dei semiconduttori, quindi dimostrando che può anche diventare superconduttore in condizioni di crescita controllate, ora c'è il potenziale per dispositivi quantistici scalabili e pronti per la fonderia."

Dott. Peter Jacobson – Ricercatore presso l’Università del Queensland

Nuovo metodo di produzione

La maggior parte dei metodi di drogaggio cerca di introdurre gli ioni nel materiale, ma porta a risultati piuttosto irregolari. Sebbene ciò possa essere sufficiente per migliorare le prestazioni del semiconduttore, è troppo impreciso per indurre la superconduttività.

Invece, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata epitassia a fascio molecolare (MBE). Dirige fasci di sorgenti atomiche o molecolari su un substrato riscaldato in un ambiente di ultra alto vuoto (UHV).

Fonte: SpiegaQuellaRoba

Ciò consente un controllo preciso sulla composizione, sullo spessore e sul drogaggio della pellicola in crescita.

“Invece dell'impianto ionico, è stata utilizzata l'epitassia a fascio molecolare (MBE) per incorporare con precisione gli atomi di gallio nel reticolo cristallino del germanio.

Utilizzando l'epitassia, ovvero la crescita di sottili strati di cristalli, potremo finalmente raggiungere la precisione strutturale necessaria per comprendere e controllare il modo in cui la superconduttività emerge in questi materiali".

Dott. Julian Steele – Ricercatore presso l’Università del Queensland

Utilizzando l'assorbimento dei raggi X basato sulla luce di sincrotrone, i ricercatori hanno scoperto che i droganti al gallio vengono incorporati nel reticolo del germanio, introducendo una distorsione tetragonale nella cella unitaria del cristallo.

Fonte: Natura Nanotecnologia

Questo ordine strutturale crea una stretta banda elettronica che favorisce l'emergere della superconduttività nel Ge.

Fonte: Natura Nanotecnologia

Ancora più importante, questo metodo può funzionare a livello di wafer, gli stessi metodi utilizzati per produrre in serie i chip elettronici.

Fonte: WaferWorld

“Questo lavoro teorico ha confermato che gli atomi di gallio si inseriscono ordinatamente nel reticolo del germanio, creando le condizioni elettroniche per la superconduttività.

È un esempio elegante di come calcolo e sperimentazione, uniti, possano risolvere un problema che ha impegnato la scienza dei materiali per oltre mezzo secolo".

Dott.ssa Carla Verdi – Ricercatrice presso l’Università del Queensland

Applicazioni

La superconduttività creata da questo metodo non è una superconduttività a temperatura ambiente, poiché richiede temperature fino a 3.5°K (-269°C / -453°F), un fenomeno che sfugge ancora alla scienza dei materiali.

Tuttavia, la facilità della sua produzione, basata sull'impiego di macchinari consolidati utilizzati nell'industria dei semiconduttori, potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui vengono realizzati i chip superconduttori.

A sua volta, questo potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui vengono prodotti i materiali per i computer quantistici. Molto probabilmente, invece di costosi materiali superconduttori, un futuro computer quantistico potrebbe utilizzare semplicemente un "normale" wafer semiconduttore di gallio-germanio, reso superconduttore in punti specifici del chip.

"Questi materiali aprono la strada a una nuova era di dispositivi quantistici ibridi e potrebbero essere alla base dei futuri circuiti quantistici, sensori ed elettronica criogenica a bassa potenza, tutti elementi che necessitano di interfacce pulite tra regioni superconduttrici e semiconduttrici".

Dott. Peter Jacobson – Ricercatore presso l’Università del Queensland

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Investire nella produzione di semiconduttori

TSMC

La produzione di semiconduttori è un settore dominato dalla combinazione di competenze molto specifiche e complesse e dalla necessità di produrre in serie su larga scala per ridurre i costi.

Nessuna azienda è riuscita a padroneggiare questo modello di business quanto TSMC, l'azienda taiwanese leader mondiale nella produzione di chip ultra-avanzati.

TSMC produce, ovviamente, principalmente chip in silicio, compresi i più potenti chip a nodo da 3 e 2 nm. E poiché produce principalmente i chip più avanzati e costosi, controlla oltre la metà dei ricavi globali dell'industria della fonderia di semiconduttori.

Fonte: di Eric Flaningam

TSMC si sta evolvendo oggi per iniziare a produrre chip di silicio negli Stati Uniti, in particolare con un massiccio investimento nelle sue nuove fonderie in Arizona.

Tuttavia, TSMC è anche un'azienda esperta di transistor avanzati a base di germanio e altri semiconduttori.

Quindi, mentre l'azienda ricava principalmente i suoi profitti attuali da chip avanzati e dalla produzione di hardware AI per aziende come Nvidia (NVDA ), potrebbe anche essere uno dei principali beneficiari della scoperta che i comuni metodi di produzione dei semiconduttori possono produrre.

Ultime notizie e sviluppi sulle azioni TSMC (TSM)

Studio referenziato:

^{1. Steele, JA, Strohbeen, PJ, Verdi, C. et al. Superconduttività in film sottili epitassiali di Ge iperdrogato con Ga sostituzionale. Naz. Nanotecnologie. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02042-8}