超导锗来了，量子器件量产有望

约瑟夫森结结构——一种由两个超导体和一个薄的非超导势垒构成的量子器件——采用了不同形式的锗（Ge）：超导锗（金色）、半导体锗（蓝色）以及晶圆级超导锗。利用这种新型材料堆叠技术，可以在晶圆级上制造数百万个约瑟夫森结像素（10微米见方）。插图展示了半导体锗矩阵上的晶体超导锗，这是实现晶体约瑟夫森结的关键。来源：Patrick Strohbeen/纽约大学

几十年来，研究人员一直致力于研发既能作为半导体材料又能作为超导体的材料——即能够无电阻地导电的材料。半导体是现代计算机芯片和太阳能电池的基础，如果它们同时具备超导能力，运行速度和效率都将大大提高。然而，将硅和锗等材料转化为超导体仍然是一项巨大的挑战，这主要是因为这需要维持一种精细的原子排列，使电子能够自由移动。

一个国际科学家团队如今实现了曾经看似遥不可及的目标。他们在《自然·纳米技术》杂志上发表的一项新研究中报告称，他们研制出了一种具有超导性的锗材料。这意味着它可以零电阻导电，使电流能够无限循环而不损失能量。这种特性有望显著提升电子和量子器件的性能，同时降低功耗。

“锗已经广泛用于计算机芯片和光纤，如果能在锗中实现超导性，就有可能彻底改变许多消费品和工业技术，”纽约大学物理学家、量子信息物理中心和量子研究所主任贾瓦德·沙巴尼解释说。

昆士兰大学物理学家彼得·雅各布森补充说，这些发现有望加速实用量子系统的研发进程。“这些材料有望成为未来量子电路、传感器和低功耗低温电子器件的基础，而所有这些都需要超导区和半导体区之间具有清晰的界面，”他说道。“锗已经是先进半导体技术的主要材料，因此，通过证明它在可控生长条件下也能实现超导性，现在有望制造出可扩展的、可直接用于代工生产的量子器件。”

半导体如何变成超导体

锗和硅均为元素周期表 IV 族元素，具有类金刚石晶体结构。二者的电学性质介于金属与绝缘体之间，既不具备金属的高导电能力，也不似绝缘体那般完全阻碍电子流动，属于半导体材料。这类材料具备多功能性，化学性质稳定且机械耐久性良好，是现代制造业中的核心材料，广泛应用于计算机芯片、智能手机处理器、太阳能电池及各类电子传感器等产品。

超导材料的核心特征是零电阻导电，其原理为电子形成 “库珀对” 后无阻力移动。要使锗、硅这类半导体材料实现超导性，需通过改变其原子结构，增加材料中可参与导电的自由电子数量，为电子配对提供必要条件。原子尺度的结构调控存在显著难度：需精准调整晶格的电子分布，同时维持类金刚石晶体的整体稳定性。过程中，原子错位、杂质残留或结构缺陷等情况，均可能导致超导特性无法实现，因此对硅、锗原子结构的原子级精准操控，长期以来是科研领域的重要挑战。

在这项新研究中，研究人员制备了掺杂了大量镓的锗薄膜。镓是一种较软的元素，常用于电子领域。这种被称为“掺杂”的技术长期以来一直被用于改变半导体的电学性能。通常情况下，高浓度的镓会破坏晶体的稳定性，从而阻止超导性的产生。

研究团队利用先进的X射线技术克服了这一限制，引导一种精细化的工艺，促使镓原子取代晶格中的锗原子。虽然这种取代会使晶体略微变形，但它保持了晶体的整体稳定性，并使其在3.5开尔文（约零下453华氏度）下能够以零电阻导电，从而证实了晶体已转变为超导晶体。

精密工具解锁原子级控制

“我们没有采用离子注入法，而是利用分子束外延技术，将镓原子精确地掺入锗的晶格中，”昆士兰大学物理学家、该研究的合著者朱利安·斯蒂尔说。“利用外延技术——生长薄晶体层——意味着我们最终能够获得所需的结构精度，从而理解和控制这些材料中超导性的产生机制。”

正如沙巴尼指出的那样，“这是因为 IV 族元素在正常条件下本身并不具有超导性，但改变它们的晶体结构可以形成电子配对，从而实现超导性。”

这项研究还汇集了苏黎世联邦理工学院和俄亥俄州立大学的研究人员，并获得了美国空军科学研究办公室（FA9550-21-1-0338）的部分资助。这项国际合作标志着将超导特性融入驱动当今电子产品的材料中迈出了关键一步，有望重塑计算和量子技术的格局。