Les scientifiques cherchent depuis longtemps à fabriquer des semi-conducteurs – composants essentiels des puces informatiques et des cellules solaires – qui soient également supraconducteurs, améliorant ainsi leur vitesse et leur efficacité énergétique et permettant de nouvelles technologies quantiques. Cependant, atteindre la supraconductivité dans des matériaux semi-conducteurs tels que le silicium et le germanium s'est avéré difficile en raison de la difficulté à maintenir une structure atomique optimale avec le comportement de conduction souhaité.
Dans un article publié dans la revue Nature Nanotechnologieune équipe internationale de scientifiques rapporte avoir produit une forme de germanium supraconducteur, capable de conduire l'électricité avec une résistance nulle, ce qui permet aux courants de circuler indéfiniment sans perte d'énergie, ce qui entraîne une plus grande vitesse de fonctionnement nécessitant moins d'énergie.
« L'établissement de la supraconductivité dans le germanium, qui est déjà largement utilisé dans les puces informatiques et les fibres optiques, peut potentiellement révolutionner de nombreux produits de consommation et technologies industrielles », déclare Javad Shabani, physicien à l'université de New York, directeur du centre de physique de l'information quantique de l'université de New York et du nouvel institut quantique de l'université, l'un des auteurs de l'article.
« Ces matériaux pourraient être à la base des futurs circuits quantiques, capteurs et composants électroniques cryogéniques de faible consommation, qui nécessitent tous des interfaces propres entre les régions supraconductrices et semi-conductrices », ajoute Peter Jacobson, physicien à l'Université du Queensland et l'un des auteurs de l'article.
« Le germanium est déjà un matériau de pointe pour les technologies avancées de semi-conducteurs. Ainsi, en démontrant qu'il peut également devenir supraconducteur dans des conditions de croissance contrôlées, il existe désormais un potentiel pour des dispositifs quantiques évolutifs et prêts à être utilisés en fonderie. »
Les matériaux semi-conducteurs tels que le germanium et le silicium, tous deux des cristaux de type diamant, sont des éléments du groupe IV dont le comportement électronique chevauche celui des métaux et des isolants. Ces matériaux sont utiles dans la fabrication en raison de leur flexibilité et de leur durabilité.
L'obtention de la supraconductivité dans ces éléments est obtenue en manipulant leur structure pour introduire de nombreux électrons conducteurs. Ces électrons interagissent avec le cristal de germanium pour s’apparier et se déplacer sans résistance – un processus historiquement difficile à contrôler au niveau atomique.
Dans leurs nouveaux travaux, les scientifiques ont créé des films de germanium fortement infusés d’un élément plus mou, le gallium, également couramment utilisé en électronique. Ce processus établi de longue date, connu sous le nom générique de « dopage », modifie les propriétés électriques d'un semi-conducteur, mais à des niveaux élevés de gallium, le matériau devient généralement instable, entraînant une rupture du cristal et l'absence de supraconductivité.
Cependant, dans les résultats récemment rapportés, les scientifiques, utilisant des techniques avancées de rayons X, démontrent une nouvelle technique qui force les atomes de gallium à remplacer les atomes de germanium dans le cristal à des niveaux supérieurs à la normale. Ce processus déforme légèrement la forme du cristal, mais conserve néanmoins une structure stable capable de conduire l'électricité avec une résistance nulle à 3,5 Kelvin, soit environ -453 degrés Fahrenheit, devenant ainsi supraconducteur.
« Plutôt que l'implantation d'ions, l'épitaxie par jets moléculaires a été utilisée pour incorporer avec précision des atomes de gallium dans le réseau cristallin du germanium », note Julian Steele, physicien à l'Université du Queensland et l'un des auteurs de l'article. « L'épitaxie, c'est-à-dire la croissance de fines couches de cristaux, signifie que nous pouvons enfin atteindre la précision structurelle nécessaire pour comprendre et contrôler la façon dont la supraconductivité émerge dans ces matériaux. »
« Cela fonctionne parce que les éléments du groupe IV ne sont pas naturellement supraconducteurs dans des conditions normales, mais la modification de leur structure cristalline permet la formation d'appariements électroniques permettant la supraconductivité », observe Shabani.
