一個國際研究團隊在最新《自然·納米技術》發表論文稱，他們制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辟了新路徑。
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。盡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。
鍺和硅同屬元素周期表IV族，屬于半導體材料，廣泛應用于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于引入足夠多的導電電子，在低溫下形成配對并協同運動，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并不具備超導能力，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，更打開了將其用于下一代量子電路、低功耗低溫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。由于鍺已在先進芯片制造中廣泛應用，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。
來源：科技日報
