Wspólne badania Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) i Uniwersytetu George'a Waszyngtona, opublikowane we wrześniu 2025 roku w czasopiśmie „Science”, przyniosły fundamentalne odkrycie dotyczące organizacji atomów w półprzewodnikach. Naukowcy potwierdzili, że atomy w materiałach półprzewodnikowych mogą samoorganizować się w specyficzne, zlokalizowane wzory, znane jako porządek krótkiego zasięgu (SRO – short-range order). Kluczowe jest to, że te wzory SRO znacząco wpływają na właściwości elektroniczne materiału. Badania te, skupiające się na stopach germanowo-cynowych (GeSn), które mają ogromny potencjał w dziedzinie komputerów kwantowych i optoelektroniki, dostarczyły pierwszego bezpośredniego dowodu eksperymentalnego na istnienie SRO w półprzewodnikach. Wykorzystano do tego zaawansowaną technikę mikroskopii transmisyjnej skaningowej 4D (4D-STEM), która pozwoliła zaobserwować wyraźne, powtarzalne układy atomowe w próbkach GeSn.
Aby dogłębnie przeanalizować zaobserwowane struktury atomowe, zespół badawczy nawiązał współpracę z grupą Tianshu Li z Uniwersytetu George'a Waszyngtona. Zespół Li opracował zaawansowany model uczenia maszynowego, zdolny do symulacji milionów atomów. Umożliwiło to naukowcom precyzyjne dopasowanie zaobserwowanych motywów do konkretnych struktur atomowych, łącząc tym samym modelowanie z eksperymentem dla pełniejszego zrozumienia SRO w stopach GeSn. Odkrycia te mają ogromne znaczenie dla rozwoju przyszłych urządzeń mikroelektronicznych, ponieważ precyzyjna kontrola SRO pozwala na efektywne kształtowanie elektronicznych charakterystyk półprzewodników.
Ten postęp może utorować drogę do tworzenia bardziej wydajnych i wyspecjalizowanych komponentów elektronicznych, stanowiąc znaczący krok w kierunku projektowania półprzewodników w skali atomowej. Lilian Vogl, badaczka postdoktorancka w Berkeley Lab podczas tych badań, a obecnie liderka grupy w Instytucie Maxa Plancka ds. Zrównoważonych Materiałów, podkreśla, że „otwieramy drzwi do nowej ery technologii informacyjnej w skali atomowej, odblokowując deterministyczne rozmieszczenie motywów SRO w celu dostosowania struktur pasmowych, które mogą wpłynąć na szeroką gamę technologii, od topologicznych materiałów kwantowych po obliczenia neuromorficzne i detektory optyczne”. Badania te mają potencjał wpłynąć na szeroki zakres technologii, w tym materiały kwantowe, obliczenia neuromorficzne i detektory optyczne.
Wyniki badań zostały zaprezentowane podczas konferencji MRS Spring Meeting & Exhibit w Seattle w kwietniu 2025 roku. Projekt otrzymał wsparcie od Departamentu Energii USA, Biura Nauki oraz Molecular Foundry, placówki użytkownika DOE Office of Science. W badaniach uczestniczyli również Anis Attiaoui, John Lentz, Lilian Vogl, Joseph C. Woicik, Jarod Meyer, Shunda Shen, Kunal Mukherjee, Tianshu Li, Andrew Minor i Paul McIntyre.