Учёные из KAUST продемонстрировали, что электронные компоненты на основе оксида галлия способны стабильно функционировать при температурах, близких к абсолютному нулю — ниже, чем в открытом космосе. Это открывает новые возможности для технологий, работающих в экстремально холодных условиях, включая космические миссии и квантовые вычисления.

Главное преимущество материала — его способность сохранять проводимость там, где традиционные полупроводники полностью теряют работоспособность. Это означает, что будущие устройства смогут обходиться без сложных систем охлаждения, становясь компактнее, дешевле и надёжнее.

Почему обычная электроника не справляется с холодом

В основе любой современной электроники лежат полупроводники — материалы с так называемой запрещённой зоной. Чтобы проводить электричество, электронам необходимо преодолеть этот энергетический барьер. Однако при сильном охлаждении они теряют подвижность и «застревают» в материале. Этот эффект известен как замораживание носителей заряда.

На практике большинство стандартных электронных компонентов перестаёт корректно работать уже при температурах ниже 100 К (–173 °C). Это серьёзное ограничение для областей, где требуется функционирование при экстремальном холоде — например, в космосе или внутри квантовых компьютеров, где рабочие температуры могут опускаться до 4 К.

Оксид галлия как альтернатива кремнию

Команда исследователей сосредоточилась на бета-оксиде галлия (β-Ga₂O₃) — полупроводнике со сверхширокой запрещённой зоной. Этот материал уже известен своей устойчивостью к радиации и высоким температурам, вплоть до 500 °C, что значительно превосходит возможности кремниевых решений.

Дополнительным преимуществом является сниженная утечка тока и высокая стабильность характеристик. Но самое важное — оксид галлия не подвержен классическому эффекту «замораживания», который ограничивает работу других материалов.

Как удалось добиться работы при 2 К

Чтобы раскрыть потенциал материала, исследователи создали два типа устройств с добавлением атомов кремния. Такая примесь обеспечивает наличие свободных электронов, необходимых для прохождения тока.

В эксперименте были протестированы:

• полевой транзистор типа FinFET с улучшенной геометрией каналов;
• логический инвертор — базовый элемент цифровых схем.

Оба устройства продемонстрировали стабильную работу при температуре около 2 К (–271,15 °C). В таких условиях электроны не требуют дополнительной тепловой энергии: они перемещаются через так называемую примесную зону, сформированную добавленными атомами кремния.

Значение открытия для технологий будущего

Хотя отдельные электронные компоненты уже ранее демонстрировали работу при сверхнизких температурах, в данном случае речь идёт о полноценной полупроводниковой платформе, пригодной для создания логических схем и транзисторов.

Это открывает путь к разработке компактной криогенной электроники, выполненной на базе одного материала. В частности, это может существенно упростить архитектуру квантовых компьютеров, где сегодня требуется сложная система охлаждения и согласования компонентов.

Перспективы применения в космосе

Наиболее очевидное направление применения — космическая техника. Аппараты, работающие за пределами атмосферы, сталкиваются с резкими температурными колебаниями — от нескольких кельвинов до сотен градусов.

Использование оксида галлия позволит:

• снизить зависимость от громоздких систем терморегуляции;
• повысить надёжность электроники;
• уменьшить массу и энергопотребление оборудования.

Это особенно важно для дальних миссий, где каждая деталь конструкции влияет на эффективность и стоимость проекта.

Следующий этап исследований

На текущем этапе учёные подтвердили работоспособность базовых компонентов. В ближайших планах — создание более сложных устройств, включая радиочастотные транзисторы, фотодетекторы и элементы памяти.

Ключевая задача — масштабирование технологии и разработка полноценных криогенных чипов, способных эффективно работать в условиях экстремально низких температур.