科学家让普通半导体变身超导体

一个全球科学家团队实现了曾看似遥不可及的目标。在《自然·纳米技术》发表的新研究中，他们报告研制出一种具有超导性的锗。这意味着它能以零电阻导电，让电流无限循环而不损失能量，有望大幅提升电子和量子设备性能并降低能耗。
纽约大学物理学家、量子信息物理中心与量子研究所主任贾瓦德·沙巴尼解释：“锗已广泛用于计算机芯片和光纤，在其中实现超导性可能彻底改变众多消费产品和工业技术。”
昆士兰大学物理学家彼得·雅各布森补充，该发现或加速实用量子系统的构建。“这些材料有望支撑未来量子电路、传感器和低功耗低温电子设备，而这些都需要超导与半导体区域间的洁净界面。”他说，“锗已是先进半导体技术的主力材料，证明其在可控生长条件下能超导，意味着未来有望实现可扩展、工厂就绪的量子设备。”
半导体如何变为超导体？锗和硅都是具有类金刚石晶体结构的IV族元素，处于金属和绝缘体之间的独特位置。它们的多功能性和耐用性使其成为现代制造业的核心。要让这类元素产生超导性，科学家需小心改变其原子结构，增加可导电电子数量。这些电子会配对并无电阻移动，但这一过程在原子尺度上极难精确调控。
新研究中，科研人员研制出重度掺入镓（一种常用于电子领域的较软元素）的锗薄膜。这种“掺杂”技术长期用于改变半导体电学行为，通常高浓度镓会破坏晶体稳定性，阻碍超导。
团队借助先进X射线方法指导改进工艺，让镓原子取代锗晶格中的锗原子。虽会轻微扭曲晶体，但能保持整体稳定，并在3.5开尔文（约-453华氏度）下实现零电阻导电，证实其具备超导性。
精密工具实现原子级控制。昆士兰大学物理学家、合著者朱利安·斯蒂尔称：“我们用分子束外延而非离子注入，将镓原子精确掺入锗晶格。”“外延（生长薄晶体层）让我们终于实现理解和控制超导性所需的结构精度。”
沙巴尼指出：“这是因为IV族元素在常态下不会自然超导，但改变晶体结构能形成电子对，从而实现超导。”
该研究还涉及苏黎世联邦理工学院和俄亥俄州立大学的研究人员，获美国空军科学研究办公室部分支持（项目FA9550-21-1-0338）。这项国际合作标志着将超导特性融入驱动当今电子设备材料的关键一步，或重塑计算与量子技术格局。