突破：锗材料实现超导状态，有望推动量子芯片发展

锗在3.5开尔文温度下实现超导，为高能效计算和低温电子学开辟新路径。

科学家首次成功使锗 —— 一种用于计算机芯片和光纤的关键半导体材料 —— 实现超导。这一突破有望催生更快、能效更高的电子设备，并为量子技术开辟新路径。

来自纽约大学、昆士兰大学及其他国际机构的研究团队成功制备出一种形式的锗，该材料在3.5开尔文（约合华氏零下453度）的温度下能够实现零电阻导电。

纽约大学物理学家、该校量子信息物理中心主任及新成立的量子研究所所长贾瓦德·沙巴尼表示："在已广泛用于计算机芯片和光纤的锗材料中实现超导，有潜力为数以百计的消费产品和工业技术带来革命性变革。"

数十年来，科学家一直试图使硅和锗等半导体实现超导。若能成功，将允许电流无限期流动而不会损失能量，从而显著提高电子设备的速度和效率。但事实证明，在这些材料中实现正确的原子结构和电子行为非常困难。

锗和硅同属第四族元素，具有类金刚石晶体结构，以其稳定性和灵活性著称。它们的电学性质介于金属和绝缘体之间，这使其成为芯片制造的理想材料。要使它们实现超导，研究人员必须改变其原子排列，使电子能够配对并在晶体中无阻力移动。

昆士兰大学物理学家彼得·雅各布森表示："锗已是先进半导体技术的主力材料。因此，通过证明在受控生长条件下它也能实现超导，如今为可扩展、符合晶圆厂要求的量子设备带来了潜力。"

精密掺杂带来突破

研究团队通过一种称为"掺杂"的工艺，将镓（一种常用于电子产品的较软元素）引入锗中，从而实现了这一目标。通常，过多的镓会使材料不稳定，破坏其晶体结构并阻碍超导性的出现。研究人员通过使用分子束外延这种生长超薄晶体层的精密技术克服了这一难题。这种方法使得镓原子能够以异常高的浓度替代锗原子，同时保持稳定的晶体结构。

昆士兰大学物理学家朱利安·斯蒂尔解释说："与离子注入法不同，我们使用了分子束外延技术将镓原子精确地纳入锗的晶格中。使用外延法生长薄晶体层，意味着我们终于能够实现所需的结构精度，以理解和控制超导性如何在这些材料中出现。"

先进的X射线分析证实，尽管晶体的形状发生了轻微变化，但它保持了稳定，并且能够实现无电阻导电。

通往量子技术之路

超导锗可能改变那些依赖于半导体和超导区域之间平滑连接的技术，例如量子电路、传感器和低温电子器件。

雅各布森表示："这些材料可以支撑未来的量子电路、传感器和低功耗低温电子器件，所有这些都需要超导和半导体区域之间具有洁净的界面。"

沙巴尼补充说，这项工作表明修改晶体结构如何能够解锁新的电子特性。他指出："这之所以可行，是因为第四族元素在正常条件下不会自然超导，但修改其晶体结构能够促使形成允许超导性出现的电子配对。"

该研究结果已发表在《自然·纳米技术》期刊上。

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