突破！经典半导体变身超导体

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锗（Germanium）—— 这种曾被认为已被完全研究透彻的半导体，近日令科学界倍感惊喜。当与合适的金属结合时，它能转变为超导材料——这一发现或可填补经典电子技术与下一代量子器件之间的鸿沟。

多年来，研究人员一直梦想将传统计算机硬件与量子处理器融合。尽管大多数研究聚焦于量子比特（qubits）的构建——量子比特是量子计算的基础单元，但这些脆弱的元件无法孤立工作。它们需要依靠传统电子技术构成的接口来实现控制、稳定，并与现有系统连接。

发表于《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）的一项新研究，详细阐述了科学家如何成功将锗转化为零电阻导电材料。锗早已是半导体行业的支柱材料，如今它有望成为连接量子技术与经典技术的“缺失环节”——兼具极高灵敏度与已验证的可扩展性。

原子层面的非凡稳定性

锗和硅这类材料介于金属和绝缘体之间。要使其具备超导性，科学家必须引入大量自由电子。在这项实验中，研究人员通过向锗中重度掺杂镓（gallium）实现了这一目标——用镓原子替换了17.9%的锗原子。

通常情况下，如此高的掺杂浓度会破坏材料结构。但研究团队采用了一种名为“外延生长（epitaxy）”的技术——逐层构建晶体结构，成功维持了完美的晶格稳定性。该研究的合著者、昆士兰大学（University of Queensland）物理学家朱利安·斯蒂尔（Julian Steele）解释道：“这种方法为我们提供了理解和控制超导性产生所需的结构精度。”

实验结果显示：这种稳定晶体在仅3.5开尔文（-269.65°C）的温度下即可呈现超导性。这一温度极低得难以想象，但恰好处于当今尖端量子系统中超导量子比特的工作温度范围之内。

为可扩展量子硬件铺路

同样来自昆士兰大学的物理学家彼得·雅各布森（Peter Jacobson）表示：“这些材料有望催生新一代量子电路、传感器以及高能效低温电子器件。每一种器件都需要超导区域与半导体区域之间具备极其洁净的接口。”

一个极具前景的应用方向是约瑟夫森结（Josephson junction）——超导量子比特的核心组件。这种微型器件由两个超导体构成，中间夹着一层薄薄的非超导势垒。在这一方案中，两个超导体均可由锗制成：一个采用超导形态，另一个则保持标准半导体形态。

若该技术趋于完善，工程师将能够在单块晶圆上制造数百万个约瑟夫森结——这是实现量子处理器工业化规模生产的关键一步。

有史以来第一次，单一元素或许能衔接两个世界：一边是成熟的经典计算基础设施，另一边是具有变革性潜力的量子技术。

（来源：futura-sciences）

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