超伝導特性を持つ新半導体を開発(Scientists Create New Type of Semiconductor that Holds Superconducting Promise)

2025-10-30 ニューヨーク大学(NYU)

ニューヨーク大学(New York University)を中心とする国際研究チームは、従来の半導体素材ゲルマニウム(Ge)を用い、世界で初めて「超伝導性を持つ半導体」を実現した。研究では分子線エピタキシー(MBE)技術により、Ge結晶中にガリウム(Ga)原子を高密度で導入し、約3.5ケルビンの極低温で電気抵抗が完全に消失することを確認。GaドーピングによってGeの電子構造が変化し、クーパー対が形成されることで超伝導が発現した。これにより、シリコンやゲルマニウムを基盤とする既存の半導体プロセス上で、超伝導デバイスを統合できる可能性が示された。研究はオーストラリア・スイスの機関との国際共同で行われ、量子計算や低損失エレクトロニクスへの応用が期待されている。

超伝導特性を持つ新半導体を開発(Scientists Create New Type of Semiconductor that Holds Superconducting Promise)

Josephson junction structures—quantum devices made of two superconductors and a thin non-superconducting barrier—using different forms of germanium (Ge): super-Ge (in gold), semiconducting Ge (in blue), and super-Ge on wafer-level scale. Millions of Josephson junction pixels (10 micrometer square) can be created with this new material stack on wafer scale. Inset shows crystalline form of Super-Ge on the same matrix of semiconductor Ge, a key for crystalline Josephson junction. Image by Patrick Strohbeen/NYU

<関連情報>

置換型GaハイパードープGeエピタキシャル薄膜における超伝導 Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films

Julian A. Steele,Patrick J. Strohbeen,Carla Verdi,Ardeshir Baktash,Alisa Danilenko,Yi-Hsun Chen,Jechiel van Dijk,Frederik H. Knudsen,Axel Leblanc,David Perconte,Lianzhou Wang,Eugene Demler,Salva Salmani-Rezaie,Peter Jacobson & Javad Shabani
Nature Nanotechnology  Published:30 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41565-025-02042-8

Abstract

Doping-induced superconductivity in group-IV elements may enable quantum functionalities in material systems accessible with well-established semiconductor technologies. Non-equilibrium hyperdoping of group-III atoms into C, Si or Ge can yield superconductivity; however, its origin is obscured by structural disorder and dopant clustering. Here we report the epitaxial growth of hyperdoped Ga:Ge films and trilayer heterostructures by molecular-beam epitaxy with extreme hole concentrations (nh = 4.15 × 1021 cm−3, 17.9% Ga substitution) that yield superconductivity with a critical temperature of Tc = 3.5 K. Synchrotron-based X-ray absorption and scattering methods reveal that Ga dopants are substitutionally incorporated within the Ge lattice, introducing a tetragonal distortion to the crystal unit cell. Our findings, corroborated by first-principles calculations, suggest that the structural order of Ga dopants creates a narrow band for the emergence of superconductivity in Ge, establishing hyperdoped Ga:Ge as a low-disorder, epitaxial superconductor–semiconductor platform.

0403電子応用
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