科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然 張佳欣

一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在最新《自然·納米技術(shù)》發(fā)表論文稱，他們制備出具有超導(dǎo)性的鍺材料，能夠在零電阻狀態(tài)下導(dǎo)電，使電流無(wú)損耗地持續(xù)流動(dòng)。在鍺中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，為在現(xiàn)有成熟半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)可擴(kuò)展量子器件開(kāi)辟了新路徑。

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家一直希望讓半導(dǎo)體材料具備超導(dǎo)特性，以提升計(jì)算機(jī)芯片和太陽(yáng)能電池的運(yùn)行速度與能源效率，推動(dòng)量子技術(shù)發(fā)展。然而，在硅、鍺等傳統(tǒng)半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性極具挑戰(zhàn)。

此次突破由美國(guó)紐約大學(xué)、俄亥俄州立大學(xué)和澳大利亞昆士蘭大學(xué)、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)科學(xué)家合作完成。他們通過(guò)分子束外延技術(shù)，在將鎵原子精確嵌入鍺的晶格中，實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜。

分子束外延是一種可以逐層生長(zhǎng)晶體薄膜的方法，能實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的精確控制。通過(guò)這種方式，研究團(tuán)隊(duì)獲得了高度有序的晶格結(jié)構(gòu)。盡管摻雜導(dǎo)致晶格輕微變形，但材料依然穩(wěn)定。這種經(jīng)過(guò)調(diào)控的鍺薄膜在約3.5開(kāi)爾文（約-269.7℃）時(shí)展現(xiàn)出超導(dǎo)性。

鍺和硅同屬元素周期表IV族，屬于半導(dǎo)體材料，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)芯片和光纖等現(xiàn)代電子器件。使其具有超導(dǎo)性的關(guān)鍵在于引入足夠多的導(dǎo)電電子，在低溫下形成配對(duì)并協(xié)同運(yùn)動(dòng)，從而消除電阻。過(guò)去，高濃度摻雜往往導(dǎo)致晶體破壞，難以獲得穩(wěn)定超導(dǎo)態(tài)。此次研究通過(guò)精確控制生長(zhǎng)條件，克服了這一障礙。

團(tuán)隊(duì)成員指出，鍺本身在常規(guī)條件下并不具備超導(dǎo)能力，但通過(guò)改變其晶體結(jié)構(gòu)，可以誘導(dǎo)出支持電子配對(duì)的能帶結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。這一成果不僅拓展了對(duì)IV族半導(dǎo)體物理性質(zhì)的理解，更打開(kāi)了將其用于下一代量子電路、低功耗低溫電子設(shè)備和高靈敏度傳感器的可能性。

團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，這種材料能構(gòu)建超導(dǎo)與半導(dǎo)體區(qū)域之間的清潔界面，是實(shí)現(xiàn)集成量子技術(shù)的關(guān)鍵一步。由于鍺已在先進(jìn)芯片制造中廣泛應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)有望兼容現(xiàn)有代工廠流程，加速量子技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。

總編輯圈點(diǎn)

半導(dǎo)體只允許部分電子通過(guò)，在室溫下的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間。而超導(dǎo)體在特定溫度下，電阻完全消失，電流通過(guò)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何損耗。試想一下，假如兩者強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，讓半導(dǎo)體擁有超導(dǎo)體的“超能力”，這種新材料將既有精準(zhǔn)控制電流的特點(diǎn)，又有電流零損耗的優(yōu)勢(shì)。一旦這種新材料得到推廣應(yīng)用，各種智能終端的運(yùn)行速度將實(shí)現(xiàn)跨越式提升，而且不容易發(fā)熱；電網(wǎng)和新能源系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)更高效的零損耗傳輸。這無(wú)疑將在多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域掀起新的技術(shù)變革。