De meeste chemische elementen worden supergeleidend als men ze sterk afkoelt of blootstelt aan hoge drukken. Maar er zijn nog steeds onbekende eilanden in het periodiek systeem van elementen. Tot nu toe weigeren germanium, koper, zilver en goud de toestand van supergeleiding aan te nemen. Wetenschappers van het Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) zijn er recentelijk in geslaagd halfgeleidermateriaal germanium supergeleidend te krijgen. Ze losten bovendien een aantal raadsels op die de supergeleiding bij halfgeleiders nog steeds omgeven.
Zuivere halfgeleiders als germanium of silicium geleiden bij lage temperaturen nauwelijks stroom; ze worden pas elektrisch geleidend door vervuiling met vreemde atomen. Het inbrengen van vreemde atomen gebeurt in de chipsindustrie en ook bij onderzoeken bijvoorbeeld met de implantatie van ionen, waardoor vreemde ionen in het kristalrooster van de halfgeleider worden ingebracht.
Vreemde atomen
Om een supergeleidende halfgeleider te ontwikkelen, moet men ruimschoots meer vreemde atomen doteren, an het materiaal normalerwijze zou opnemen. De onderzoekers uit Rossendorf schoten ongeveer zes atomen gallium per atomen atomen germanium in een proefstuk. Met de experimenten konden ze bewijzen dat de gedoteerde, slechts 60 nm dunne halfgeleiderlaag werkelijk supergeleidend wordt en niet het cluster van de vreemde atomen, dat bij de extreme dotering zou kunnen worden gevormd.
Door de implantatie van de ionen wordt het kristalrooster van het germanium sterk verstoord zodat het aansluitend weer gerepareerd moet worden. Hiervoor staat in het onderzoekscentrum een speciale installatie voor het herstel van deze schades. De hier ontwikkelde flitslampinstallatie bestookt met flitsen van slechts 3 ms alleen de oppervlakte van het behandelde germanium, wat de schade in het kristalrooster verwijdert zonder de verdeling van de vreemde atomen wezenlijk te veranderen.
Eigenschappen
Het nieuwe materiaal vertoont het een verrassend hoog kritisch magnetisch veld in verhouding tot de temperatuur waarbij de supergeleiding ontstaat. Het effect van de supergeleiding treedt bij veel materialen pas bij zeer lage temperaturen, kort boven het absolute nulpunt (-273° C of 0 K) op. Het met gallium gedoteerde germanium bijvoorbeeld wordt supergeleidend bij 0,5 K, maar door veranderingen van verscheidene parameters tijdens de ionenimplantatie en roosterreparatie kan de overgangstemperatuur hoger worden.
Animatie van de implementatie van germaniumwafers met gallium-ionen (blauw), gevolgd door de reparatie van de roosterdefecten door korte, intensieve lichtflitsen en de uiteindelijke waarneming van supergeleiding bij lage temperaturen. De supergeleiding wordt, anders dan bij normale geleiders, door zwak gebonden elektronenparen respectievelijk gaten met anti-parallelle impuls- en eigen spinimpuls oriëntatie opgewekt (rood). Met het supergeleidend germanium zouden in de toekomst schakelingen voor nieuwe soorten computers kunnen worden gerealiseerd.
