Timu ya watafiti kutoka Australia na Marekani imefanikiwa kuweka Superconductivity (Upitishaji Umeme Bila Kizuizi) kwa utulivu kwenye nyenzo ya Germanium (Ge), semiconductor inayotumika sana katika sekta za viwanda. Mafanikio haya yanatajwa kuwa yamepunguza changamoto ya miaka 50 katika sayansi ya nyenzo, na kufungua uwezekano wa uzalishaji mkubwa wa vifaa vya quantum vinavyotegemea semiconductors, kama vile quantum circuits na devices.
Timu ya utafiti kutoka The University of Queensland (Australia) na New York University (Marekani) ilichapisha matokeo yao katika jarida la kimataifa la Nature Nanotechnology mnamo Oktoba 30. Walitangaza kufanikiwa kwa mara ya kwanza kuunda superconductivity imara kwa kuingiza atomi za Gallium (Ga) kwenye kioo cha Germanium.
Superconductivity na Qubits
Superconductivity ni hali ambapo umeme unapita bila kukutana na kizuizi chochote. Hali hii hutokea katika joto la chini sana (kwa kawaida chini ya -250°C), ambapo elektroni huunda jozi za 'Cooper Pairs' na kusonga bila kupoteza nishati.
- Matumizi: Superconducting circuits zinazotengenezwa kwa superconductors hutumiwa kama Qubits (quantum computing information unit) katika kompyuta za quantum, na pia katika SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), ambayo ni quantum sensor inayopima uwanja mdogo wa magnetic.
Ingawa Silicon (Si) na Germanium ni nyenzo muhimu za semiconductor zinazotumiwa kwenye chipu za kompyuta na seli za jua (solar cells), Germanium safi na Silicon hazionyeshi superconductivity hata kwenye joto la chini sana. Hii ni kwa sababu ya muundo wao wa kioo, ambao huzuia Cooper Pairs kuunda kwa ufanisi.
Kumekuwa na majaribio ya kuingiza atomi nyingine (doping) kwenye Germanium au Silicon ili kubadili sifa zake, lakini ukosefu wa utulivu wa kimuundo ulikuwa kikwazo. Utafiti wa awali ulionyesha kuwa kuongeza msongamano wa Gallium kwenye Germanium kunasababisha muundo wa kioo kuvunjika, na superconductivity kutoweka.
Teknolojia ya MBE na Mafanikio ya Galium
Timu ya utafiti ilitumia mbinu ya 'Molecular Beam Epitaxy (MBE)' —njia ya kukuza filamu nyembamba kwa kuvukiza malighafi katika utupu mkali na kuzipiga kwenye substrate iliyopashwa moto. Mbinu ya MBE inaruhusu udhibiti sahihi zaidi wa muundo wa kioo kuliko mbinu nyingine za doping kama ion implantation.
- Matokeo: Majaribio yalionyesha kuwa filamu nyembamba za Germanium zilizoingizwa na Gallium kwa wingi ziliweza kuonyesha Superconductivity kwa utulivu katika joto la chini sana la 3.5 Kelvin (K) (ambapo 0K ni -273.15°C). Mafanikio haya yamewezesha kupatikana kwa Germanium ya superconducting na Germanium ya semiconducting kwa wakati mmoja.
Kupatikana kwa aina zote mbili za Germanium kunawezesha uundaji wa Josephson Junction (muundo wa msingi wa superconducting circuits). Josephson Junction huundwa kwa kuweka kizuizi chembamba cha insulator katikati ya superconductors mbili, na hutumiwa kudhibiti mtiririko wa umeme.
Josephson Junction hutumika sana katika vifaa vya quantum kama vile kompyuta za quantum zinazotumia superconducting circuits. Wanasayansi waliothibitisha jinsi quantum phenomenon inavyofanya kazi katika superconducting circuits zenye Josephson Junction walishinda Tuzo ya Nobel ya Fizikia mwaka huu.
Javad Shabani, Mkurugenzi wa Quantum Institute wa New York University na mwandishi mwenza wa ripoti hiyo, alisema, "Kuunda superconductivity katika Germanium, ambayo tayari inatumika sana katika chipu za kompyuta na fiber optics, ina uwezo wa kuleta mapinduzi katika bidhaa na sekta nyingi."
Peter Jacobson, Profesa wa Fizikia ya Hisabati katika UQ na mwandishi mwenza, alieleza kuwa, "Nyenzo hizi zilizoundwa hutoa kiolesura safi kati ya superconducting na semiconducting realms, ambacho kinaweza kuwa msingi wa quantum circuits za siku zijazo, quantum sensors, na vifaa vya elektroniki vya cryogenic vinavyotumia nguvu kidogo."