Halbleiter wird Supraleiter 31.10.2025, 14:30 Uhr

Germanium wird supraleitend – was das für Computerchips bedeutet

Germanium wird supraleitend: Forschende entdecken, wie Halbleiter Strom verlustfrei leiten – mit Folgen für künftige Computerchips und Quantentechnik.

Germanium als Halbleiter

Forschende haben es geschafft, Germanium supraleitend zu machen – dank gezielter Dotierung mit Gallium. Das Material könnte künftig eine zentrale Rolle in Quantencomputern und energieeffizienter Elektronik spielen.

Foto: Patrick Strohbeen/NYU;

Supraleitung – das klingt nach Physiklabor, flüssigem Helium und komplizierten Experimenten. Doch nun rückt Germanium ins Rampenlicht. Das Halbleitermaterial, das bereits in Transistoren, Glasfasern und Chips steckt, zeigt plötzlich eine Eigenschaft, die bisher nur Metallen oder speziellen Keramiken vorbehalten war: Es kann Strom ohne Widerstand leiten.

Forschende aus den USA, Australien und der Schweiz haben in Nature Nanotechnology berichtet, wie sie das geschafft haben – und warum das Folgen für künftige Quantentechnologien haben könnte.

Vom Halbleiter zum Supraleiter

Halbleiter wie Germanium oder Silizium sind die Grundlage moderner Elektronik. Sie leiten Strom, aber eben nur teilweise – daher der Name. Diese Steuerbarkeit macht sie ideal für Transistoren und Schaltkreise. Supraleiter dagegen sind das genaue Gegenteil: Sie lassen elektrischen Strom komplett verlustfrei fließen. Keine Wärmeentwicklung, kein Energieverlust.

Top Stellenangebote

Zur Jobbörse
Immobilien Management Essen GmbH (IME)-Firmenlogo
Referent interne Revision (m/w/d) - Fokus Daten, Prozesse & Technik Immobilien Management Essen GmbH (IME)
TenneT TSO-Firmenlogo
Betriebsingenieur Offshore (m/w/d) TenneT TSO
Hannover Zum Job 
Hochschule für Musik und Darstellende Kunst Frankfurt am Main-Firmenlogo
Ingenieur*in Energie, Klimaschutz und Transformation (w/m/d) Hochschule für Musik und Darstellende Kunst Frankfurt am Main
Frankfurt Zum Job 
ista SE-Firmenlogo
Projektingenieur - Technische Gebäudeausrüstung und Energiedienstleistungen (m/w/d) ista SE
Region Hamburg, Berlin oder Düsseldorf / Köln (West) Zum Job 
Schleifring GmbH-Firmenlogo
Prozessingenieur (m/w/d) Schleifring GmbH
Fürstenfeldbruck Zum Job 
HYDAC Group-Firmenlogo
Qualitätsingenieur Luft- und Raumfahrt (w/m/d) HYDAC Group
Sulzbach/Saar Zum Job 
GOLDBECK SOLAR GmbH-Firmenlogo
Bauleiter (m/w/d) PV-Dachanlagen GOLDBECK SOLAR GmbH
deutschlandweit Zum Job 
Schleifring GmbH-Firmenlogo
Vertriebsingenieur Maschinenbau & Elektrotechnik (m/w/d) Schleifring GmbH
Fürstenfeldbruck Zum Job 
Landesbetrieb Straßenbau und Verkehr Schleswig-Holstein-Firmenlogo
Bauingenieurin / Bauingenieur (w/m/d) für den konstruktiven Ingenieurbau im Geschäftsbereich 3 "Erhaltung, Kompetenzzentrum Brücken" Landesbetrieb Straßenbau und Verkehr Schleswig-Holstein
Rendsburg, Lübeck, Kiel, Itzehoe, Flensburg Zum Job 
BEC GmbH-Firmenlogo
Projektmanager Automatisierung und Sondermaschinenbau (Mensch) BEC GmbH
Pfullingen Zum Job 
Stadtwerke Leipzig GmbH-Firmenlogo
Ingenieur (m/w/d) Elektrotechnik Stadtwerke Leipzig GmbH
Leipzig Zum Job 
TenneT TSO GmbH-Firmenlogo
Lead Asset Management & Engineering (m/w/d) TenneT TSO GmbH
Lehrte, Bayreuth Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur für Straßenplanung / Verkehrsplanung (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes
Hochschule Merseburg-Firmenlogo
Professur (W2): Automatisierungstechnik Hochschule Merseburg
Merseburg Zum Job 
High-Tech Park Sachsen-Anhalt GmbH-Firmenlogo
Ingenieure (m/w/d) Bauingenieurwesen / Bauliche Projektentwicklung / Straßenbau / Infrastruktur / Stadt- und Regionalplanung / Verkehrswesen High-Tech Park Sachsen-Anhalt GmbH
Magdeburg Zum Job 
BERICAP GmbH & Co. KG-Firmenlogo
Automation & Process Innovation Engineer (m/w/d) BERICAP GmbH & Co. KG
Budenheim Zum Job 
Landesbetrieb Straßenbau und Verkehr Schleswig-Holstein-Firmenlogo
Bauingenieurin / Bauingenieur (w/m/d) für den konstruktiven Ingenieurbau Landesbetrieb Straßenbau und Verkehr Schleswig-Holstein
Rendsburg, Lübeck, Kiel, Itzehoe, Flensburg Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Abteilungsleitung (w/m/d) Konstruktiver Ingenieurbau, Lärmschutzbauwerke Die Autobahn GmbH des Bundes
Nürnberg Zum Job 
TUTOGEN Medical GmbH-Firmenlogo
Leitung Qualitätsmanagement international / Sachkundige Person (m/w/d) TUTOGEN Medical GmbH
Neunkirchen am Brand Zum Job 
Die Autobahn GmbH des Bundes-Firmenlogo
Bauingenieur für Streckenplanung (w/m/d) Die Autobahn GmbH des Bundes

Die Idee, beides in einem Material zu vereinen, ist seit Jahrzehnten ein Traum der Festkörperphysik. Denn ein Chip, der gleichzeitig schalten und supraleitend leiten kann, wäre extrem schnell und sparsam. Doch die Umsetzung war bisher schwierig. In Halbleitern lassen sich die notwendigen Elektronenwechselwirkungen – also die „Klebstoffe“ der Supraleitung – kaum stabil erzeugen.

Gallium als Schlüssel

Das Team um Javad Shabani von der New York University fand einen Weg, diese Hürde zu umgehen. Die Forschenden setzten auf ein altbekanntes Prinzip: Dotierung. Dabei werden Fremdatome in das Kristallgitter eingebaut, um dessen elektrische Eigenschaften zu verändern.

In diesem Fall war es Gallium, ein weiches Metall, das häufig in LEDs oder Solarzellen verwendet wird. „Anstatt Ionenimplantation zu verwenden, wurde molekulare Strahlepitaxie eingesetzt, um Gallium-Atome präzise in das Kristallgitter des Germaniums einzubauen“, erklärt Julian Steele von der University of Queensland. Diese Methode erlaubt eine außergewöhnlich feine Kontrolle beim Wachstum der Materialschichten – Schicht für Schicht, Atom für Atom.

Der Trick: Gallium ersetzt gezielt Germanium-Atome im Kristall, ohne das Gitter zu zerstören. So entsteht ein leicht verzerrtes, aber stabiles Netzwerk, das bei Temperaturen unter 3,5 Kelvin supraleitend wird – also rund minus 270 °C.

Elektronen tanzen im Takt

Was dabei passiert, lässt sich so vorstellen: Im supraleitenden Zustand bilden Elektronen sogenannte Cooper-Paare. Diese Paare bewegen sich synchron durch das Gitter und stoßen dabei nicht mehr an andere Atome. Normalerweise funktioniert das nur in Metallen mit vielen freien Elektronen. Doch durch die gezielte Dotierung wird Germanium so „elektronenreich“, dass dieser Effekt ebenfalls einsetzt.

„Das funktioniert, weil Elemente der Gruppe IV unter normalen Bedingungen keine Supraleiter sind“, sagt Shabani. „Aber wenn ihre Kristallstruktur gezielt verändert wird, können sich Elektronenpaarungen bilden, die Supraleitung ermöglichen.“

Brücke zwischen zwei Welten

Der große Vorteil: Germanium ist längst in der Chipfertigung etabliert. Die nötige Infrastruktur existiert also schon. Das macht den neuen Ansatz besonders spannend. Denn so könnten künftig Schaltkreise entstehen, die zugleich klassische und Quantenfunktionen übernehmen.

„Diese Materialien könnten die Grundlage für zukünftige Quantenschaltkreise, Sensoren und energieeffiziente kryogene Elektronik bilden – all das erfordert saubere Übergänge zwischen supraleitenden und halbleitenden Bereichen“, erklärt Peter Jacobson, Physiker an der University of Queensland.

Gerade für Quantencomputer wäre das ein Fortschritt. Sie brauchen supraleitende Elemente, die extrem empfindlich auf Störungen reagieren. Wenn diese direkt in Halbleiterchips integriert werden könnten, wäre das ein gewaltiger Schritt hin zu skalierbaren und stabilen Quantenprozessoren.

Hier geht es zur Originalpublikation

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

Themen im Artikel

Zu unseren Newslettern anmelden

Das Wichtigste immer im Blick: Mit unseren beiden Newslettern verpassen Sie keine News mehr aus der schönen neuen Technikwelt und erhalten Karrieretipps rund um Jobsuche & Bewerbung. Sie begeistert ein Thema mehr als das andere? Dann wählen Sie einfach Ihren kostenfreien Favoriten.