突破：鍺材料實現超導狀態，有望推動量子芯片發展

鍺在3.5開爾文溫度下實現超導，為高能效計算和低溫電子學開辟新路徑。

科學家首次成功使鍺 —— 一種用于計算機芯片和光纖的關鍵半導體材料 —— 實現超導。這一突破有望催生更快、能效更高的電子設備，并為量子技術開辟新路徑。

來自紐約大學、昆士蘭大學及其他國際機構的研究團隊成功制備出一種形式的鍺，該材料在3.5開爾文（約合華氏零下453度）的溫度下能夠實現零電阻導電。

紐約大學物理學家、該校量子信息物理中心主任及新成立的量子研究所所長賈瓦德·沙巴尼表示："在已廣泛用于計算機芯片和光纖的鍺材料中實現超導，有潛力為數以百計的消費產品和工業技術帶來革命性變革。"

數十年來，科學家一直試圖使硅和鍺等半導體實現超導。若能成功，將允許電流無限期流動而不會損失能量，從而顯著提高電子設備的速度和效率。但事實證明，在這些材料中實現正確的原子結構和電子行為非常困難。

鍺和硅同屬第四族元素，具有類金剛石晶體結構，以其穩定性和靈活性著稱。它們的電學性質介于金屬和絕緣體之間，這使其成為芯片制造的理想材料。要使它們實現超導，研究人員必須改變其原子排列，使電子能夠配對并在晶體中無阻力移動。

昆士蘭大學物理學家彼得·雅各布森表示："鍺已是先進半導體技術的主力材料。因此，通過證明在受控生長條件下它也能實現超導，如今為可擴展、符合晶圓廠要求的量子設備帶來了潛力。"

精密摻雜帶來突破

研究團隊通過一種稱為"摻雜"的工藝，將鎵（一種常用于電子產品的較軟元素）引入鍺中，從而實現了這一目標。通常，過多的鎵會使材料不穩定，破壞其晶體結構并阻礙超導性的出現。研究人員通過使用分子束外延這種生長超薄晶體層的精密技術克服了這一難題。這種方法使得鎵原子能夠以異常高的濃度替代鍺原子，同時保持穩定的晶體結構。

昆士蘭大學物理學家朱利安·斯蒂爾解釋說："與離子注入法不同，我們使用了分子束外延技術將鎵原子精確地納入鍺的晶格中。使用外延法生長薄晶體層，意味著我們終于能夠實現所需的結構精度，以理解和控制超導性如何在這些材料中出現。"

先進的X射線分析證實，盡管晶體的形狀發生了輕微變化，但它保持了穩定，并且能夠實現無電阻導電。

通往量子技術之路

超導鍺可能改變那些依賴于半導體和超導區域之間平滑連接的技術，例如量子電路、傳感器和低溫電子器件。

雅各布森表示："這些材料可以支撐未來的量子電路、傳感器和低功耗低溫電子器件，所有這些都需要超導和半導體區域之間具有潔凈的界面。"

沙巴尼補充說，這項工作表明修改晶體結構如何能夠解鎖新的電子特性。他指出："這之所以可行，是因為第四族元素在正常條件下不會自然超導，但修改其晶體結構能夠促使形成允許超導性出現的電子配對。"

該研究結果已發表在《自然·納米技術》期刊上。

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