Когда вы слышите «сверхпроводник», наверняка представляете себе гигантские установки в физических лабораториях, которые охлаждаются гелием до минус 273 °C. А что если я скажу, что учёные только что превратили обычный германий - тот самый материал, из которого делают процессоры и фотодиоды - в материал с нулевым сопротивлением? Причём сделали это так, что новый «квантовый германий» можно встроить прямо в существующие чипы. Это не фантастика, а результат работы международной команды из NYU, University of Queensland и других институтов, опубликованный в октябре 2025 года.
Как получить сверхпроводимость из привычного полупроводника
Германий сам по себе - классический полупроводник, широко применяемый в микроэлектронике. Но чтобы он начал проводить ток без потерь, его кристаллическую решётку нужно «подправить» на атомном уровне. Исследователи использовали метод молекулярно-лучевой эпитаксии - технологию, где в сверхвысоком вакууме (давление ниже атмосферного в миллионы раз) на поверхность подложки направляют узконаправленные потоки атомов. Так они «встроили» атомы галлия в германий с точностью до одного слоя.
Почему именно галлий? Это атом с тремя валентными электронами, тогда как германий - четырьмя. Когда галлий замещает германий в кристалле, возникает «дырка» - положительный носитель заряда. При низкой температуре эти дырки объединяются в особые квантовые пары, а электроны начинают двигаться по материалу, не встречая никакого сопротивления. Критическая температура перехода - 3,5 К, или −269,65 °C.
Что делает это открытие прорывом
Вместо того чтобы собирать квантовый компьютер из отдельных блоков – взять одни модули для логики, другие для сверхпроводящих цепей – и из них получается единая платформа. Германиевые транзисторы и джозефсоновские переходы (основа квантовых схем) могут сосуществовать на одном кристалле. Это не просто упрощение производства: это уменьшение задержек сигнала в тысячи раз, потому что данные не нужно передавать между разными модулями.
Для квантовых технологий это означает, что кубиты - квантовые биты, на которых работают будущие компьютеры - можно размещать прямо на привычной полупроводниковой основе. IBM и Google уже тратят миллиарды на создание квантовых процессоров, где каждый кубит требует отдельного управления и изоляции. Германий-технология может сделать систему компактнее, дешевле и масштабируемой.
В космосе и на Земле существуют системы, которым приходится работать при жёстких криогенных условиях. Современные спутники охлаждают свою электронику жидким гелием, а в научных центрах суперкомпьютеры потребляют мегаватты электричества, большая часть которых превращается в тепло. Если элементы питания и связи между ними станут сверхпроводящими, энергопотребление рухнет на порядок. Представьте, что ваш смартфон заряжается раз в месяц, а дата-центры перестают греть атмосферу.
Главные барьеры на пути к революции
Температура 3,5 К - это вызов. Для сравнения: самые «горячие» сверхпроводники, керамические материалы, работают при −135 °C, то есть в десятки раз комфортнее. Чтобы германий стал действительно практичным, нужно найти способ повысить его критическую температуру хотя бы до 77 К (−196 °C), где работает жидкий азот - дешёвый и доступный холодильный агент.
Масштабирование - другая история. В лаборатории учёные выращивают пластины германия размером 2 дюйма, а в фабриках TSMC и Intel используются 300-миллиметровые подложки. Переход от десятков атомов к миллиардам транзисторов требует идеальной повторяемости. Каждая дефектная атомная позиция - и материал перестаёт быть сверхпроводящим.
Экономика вопроса тоже играет роль. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии - медленный и энергоёмкий. Один эксперимент занимает часы, а в производстве нужны минуты. Нужен либо новый метод нанесения галлия, либо способ сделать MBE в тысячу раз быстрее и дешевле.
Как это изменит мир через 10 лет
Представьте сцену: инженер в чистой комнате фабрики Intel загружает подложку в реактор. Через несколько часов на ней вырастает не просто кристалл, а гибридная структура - в одних зонах обычные транзисторы, в других - сверхпроводящие волноводы. Этот чип может быть сердцем квантового компьютера, который умещается в корпусе обычного сервера. Вместо здания размером с гараж - стойка в дата-центре.
Другая картина: космический зонд, летящий к Плутону. Его электроника работает при десятках кельвинов. Сегодня каждый ватт энергии драгоценен, а в сверхпроводящем германии сигналы передаются без потерь. Приборы становятся чувствительнее, а срок работы - длиннее.
А что если этот материал позволит создать МРТ-сканеры без громоздких магнитов? Или сделает возможной распределённую квантовую сеть, где данные передаются через сверхпроводящие линии без риска перехвата?
Что дальше
Следующий этап - поиск примесей, которые повысят температуру перехода. Возможно, это будет не галлий, а сплав с индием или сурьмой. Параллельно идут работы по интеграции с кремниевой технологией: как совместить германий-галлиевые слои с кремниевыми транзисторами, чтобы не разрушить структуру при высоких температурах обработки?
Первые прототипы гибридных чипов появятся через 3–5 лет. Если они покажут стабильность, к 2035 году производители начнут внедрять сверхпроводящие элементы в специализированные чипы для квантовых систем. А к 2040-м - возможно, и в потребительскую электронику, если температура работы поднимется до комнатной.
Вопрос, который стоит задать себе
Мы привыкли думать, что прогресс электроники - это уменьшение размеров транзисторов. Но что если следующий скачок будет не в масштабе, а в природе самих материалов? Что если ваш следующий смартфон будет работать на законах квантовой механики, а не классической физики? Это открытие - сигнал, что такое будущее ближе, чем кажется.
Подпишитесь на канал «Мир интересного», чтобы первым узнавать, как лабораторные чудеса становятся реальными устройствами в ваших руках.