幾十年來，研究人員一直試圖創造出也可以充當超導體的半導體材料，即能夠無電阻地傳輸電流的材料。半導體是現代計算機芯片和太陽能電池的基礎，如果它們還具有超導能力，則可以更快、更高效地運行。然而，製造矽和鍺超導體等材料仍然是一個重大挑戰，很大程度上是因為它需要維持允許電子自由移動的微妙原子排列。
一個全球科學家團隊現在已經實現了曾經看似遙不可及的目標。在發表於的一項新研究中 自然納米技術報告稱他們已經創造了一種具有超導性的鍺。這意味著它可以零電阻導電，允許電流連續流動而不損失能量。這種行為可以顯著提高電子和量子設備的性能，同時降低功耗。
紐約大學物理學家、量子信息物理中心和量子研究所所長 Javad Shabani 解釋道：“鍺已經廣泛應用於計算機芯片和光纖領域，實現超導性可能會扭轉消費產品和工業技術的局面。”
昆士蘭大學物理學家彼得·雅各布森補充說，這一發現可以加速構建實用量子系統的進展。 “這些材料可以構成未來量子電路、傳感器和低功耗低溫電子器件的基礎，所有這些都需要超導和半導體區域之間有乾淨的界面，”他說。 “鍺已經是先進半導體技術的主力材料，因此，通過證明即使在受控的生長條件下它也可以成為超導體，現在就有可能製造出可擴展的量子器件，並準備好鑄造。”
半導體如何成為超導體
鍺和矽都是具有類金剛石晶體結構的IV族元素，在金屬和絕緣體中佔有獨特的地位。它們的多功能性和耐用性對於現代製造業至關重要。為了在這些元素中誘導超導性，科學家必須仔細改變它們的原子結構，以增加可用於傳導的電子數量。然後這些電子配對並毫無阻力地穿過材料——這個過程很難在原子尺度上進行微調。
在這項新研究中，研究人員開發了富含鎵的鍺薄膜，鎵是電子產品中常用的較軟元素。這種稱為“摻雜”的技術長期以來一直被用來改變半導體的電氣行為。通常，高含量的鎵會破壞晶體的穩定性，從而阻礙超導性。
該團隊通過使用先進的 X 射線方法來驅動精細工藝，誘導鎵原子取代晶格中的鍺原子，從而克服了這一限制。雖然這種替代使晶體稍微變形，但它保持了整體穩定性，並使其能夠在 3.5 開爾文（約 -453 華氏度）下以零電阻承載電流，證實它成為超導體。
解鎖精密工具原子控制
昆士蘭大學物理學家、該研究的作者之一朱利安·斯蒂爾（Julian Steele）表示：“不是使用離子注入，而是使用分子束外延將鎵原子精確地插入到鍺晶格中。” “使用外延（生長薄層晶體）意味著我們最終可以達到理解和控制這些材料如何產生超導性所需的結構精度。”
正如沙巴尼指出的那樣，“這是有效的，因為第四族元素在正常條件下並不是天然超導的，但改變晶體結構可以產生電子配對，從而實現超導。”
這項研究還涉及蘇黎世聯邦理工學院和俄亥俄州立大學的研究人員，並得到了美國空軍科學研究辦公室 (FA9550-21-1-0338) 的部分支持。這項國際努力標誌著將超導行為集成到驅動當今電子產品的材料中的關鍵一步，重塑了計算和量子技術的格局。
