GeSn-puolijohteita tulevaisuuden kvanttimaailmaan

Kansainvälinen tutkijaryhmä Forschungszentrum Jülichistä, Tohokun yliopistosta ja École Polytechnique de Montréalista on tehnyt merkittävän löydön puolijohdetieteessä paljastamalla germanium-tina (GeSn) -puolijohteiden merkittävät spiniin liittyvät materiaaliominaisuudet.

”Puolijohteet lähestyvät fyysisiä ja energiatehokkuuden rajojaan nopeuden, suorituskyvyn ja virrankulutuksen suhteen”, sanoo Tohokun Makoto Kohda. ”Tämä on valtava ongelma, koska tarvitsemme puolijohteita, jotka pysyvät vauhdissa siirtyessämme vaativampiin tarpeisiin, kuten 5G/6G-verkkoihin ja tekoälyn lisääntyvään käyttöön.”

Näiden haasteiden ratkaisemiseksi tiedemiehet ovat siirtymässä uusiin puolijohdeluokkiin, joita kutsutaan ryhmän IV seoksiksi. Nämä voivat tarjota ominaisuuksia, jotka ylittävät pelkän pii- ja germanium-teknologian. Tavoitteena ei ole ainoastaan ylläpitää yhteensopivuutta olemassa olevan piipohjaisen teknologia-alustan kanssa, vaan myös ottaa käyttöön täysin uusia toimintoja – nopeammasta prosessoinnista ja pienemmästä energiankulutuksesta integrointiin fotoni- ja kvanttiteknologioiden kanssa.

Ryhmän IV GeSn-seokset ovat erittäin houkuttelevia spintroniikan sovelluksissa, mukaan lukien kvanttilaskenta, koska ne pystyvät mahdollistamaan erittäin skaalautuvan valmistuksen ja täysin sähköisen spinin manipuloinnin.

Puolijohteessa oleva elektronin aukko toimii pienenä positiivisena varauksena. Kvanttilaskennassa aukot ovat hyödyllisiä, koska ne voivat tallentaa ja käsitellä kvantti-informaatiota, mikä mahdollistaa nopeat operaatiot ja pitkät koherenssiajat olemassa olevilla puolijohdealustoilla.

Erityisesti tiimi vahvisti korkean spininjakautumisenergian, mikä viittaa siihen, että GeSn-puolijohteilla voi olla huomattavia etuja perinteisiin materiaaleihin, kuten piihin ja germiiniin, verrattuna.

Lisäksi se on erittäin lupaava reitti kubiteille ja pienitehoisille spintronisille laitteille. Lisäksi GeSn-seokset ovat yhteensopivia CMOS-tekniikan kanssa.

Kvantti- ja spintroniikan lisäksi GeSn tarjoaa merkittäviä etuja integroiduissa lasereissa, termoelektrisissä ja elektronisissa sovelluksissa. Sen ainutlaatuinen vyöhykerakenne mahdollistaa tehokkaan valon emittoitumisen, mikä tekee siitä vahvan ehdokkaan siruille integroiduille lasereille ja fotoniikalle. Samalla sen suotuisat lämpö- ja elektroniset ominaisuudet avaavat mahdollisuuksia paremmalle termoelektriselle energian muuntamiselle ja tehokkaammille transistoreille.

Tämä monipuolisuus tekee GeSn:istä paitsi kvanttitutkimuksen materiaalin, mutta myös monitoimisen puolijohdealustan, joka voisi mullistaa useita teollisuudenaloja.

"Tulevaisuudessa keskitytään rakennesuunnittelun parantamiseen, komponenttien koon pienentämiseen ja uusien sovellusten tutkimiseen", Kohda sanoo. "Tämä kansainvälinen yhteistyö tukee entisestään GeSn-seosten asemaa uraauurtavana puolijohteena, joka voisi muodostaa tulevaisuuden teknologioiden selkärangan."

Aiheesta aiemmin:

Huonelämpöinen terahertsipiiri avaa oven 6G-verkkoihin

Lämpösähkön keruuta pii- ja kvanttisiruilta

Neljän koplaus: Uusi puolijohde tulevaisuuden siruille