具有超導性能的鍺材料製成 為開發可擴展量子器件開闢新路徑

科技日報記者 張夢然 張佳欣

一個國際研究團隊在最新《自然·納米技術》發表論文稱，他們製備出具有超導性的鍺材料，能夠在零電阻狀態下導電，使電流無損耗地持續流動。在鍺中實現超導，為在現有成熟半導體工藝基礎上開發可擴展量子器件開闢了新路徑。

長期以來，科學家一直希望讓半導體材料具備超導特性，以提升計算機芯片和太陽能電池的運行速度與能源效率，推動量子技術發展。然而，在硅、鍺等傳統半導體中實現超導性極具挑戰。

此次突破由美國紐約大學、俄亥俄州立大學和澳大利亞昆士蘭大學、瑞士蘇黎世聯邦理工學院等機構科學家合作完成。他們通過分子束外延技術，在將鎵原子精確嵌入鍺的晶格中，實現高濃度摻雜。

分子束外延是一種可以逐層生長晶體薄膜的方法，能實現原子級的精確控制。通過這種方式，研究團隊獲得了高度有序的晶格結構。儘管摻雜導致晶格輕微變形，但材料依然穩定。這種經過調控的鍺薄膜在約3.5開爾文（約-269.7℃）時展現出超導性。

鍺和硅同屬元素週期表IV族，屬於半導體材料，廣泛應用於計算機芯片和光纖等現代電子器件。使其具有超導性的關鍵在於引入足夠多的導電電子，在低温下形成配對並協同運動，從而消除電阻。過去，高濃度摻雜往往導致晶體破壞，難以獲得穩定超導態。此次研究通過精確控制生長條件，克服了這一障礙。

團隊成員指出，鍺本身在常規條件下並不具備超導能力，但通過改變其晶體結構，可以誘導出支持電子配對的能帶結構，從而實現超導。這一成果不僅拓展了對IV族半導體物理性質的理解，更打開了將其用於下一代量子電路、低功耗低温電子設備和高靈敏度傳感器的可能性。

團隊強調，這種材料能構建超導與半導體區域之間的清潔界面，是實現集成量子技術的關鍵一步。由於鍺已在先進芯片製造中廣泛應用，這項技術有望兼容現有代工廠流程，加速量子技術的實用化進程。

總編輯圈點

半導體只允許部分電子通過，在室温下的導電性能介於導體與絕緣體之間。而超導體在特定温度下，電阻完全消失，電流通過時不會產生任何損耗。試想一下，假如兩者強強聯合，讓半導體擁有超導體的“超能力”，這種新材料將既有精準控制電流的特點，又有電流零損耗的優勢。一旦這種新材料得到推廣應用，各種智能終端的運行速度將實現跨越式提升，而且不容易發熱；電網和新能源系統將實現更高效的零損耗傳輸。這無疑將在多個行業領域掀起新的技術變革。