超导新材料“锗”问世 有望推动量子芯片发展

近期一组由澳洲主导的国际研究团队，成功将半导体材料“锗”转变成超导体材料。这发现为可扩展、节能的量子装置的研发铺平道路，且有望将与芯片相关的科技产业提升至全新阶段。

硅与锗金属（Ge）是现代芯片和太阳能电池的重要基石，若能赋予这些材料超导能力，其运行速度和效率都将大大提高。其中IV族金属元素的超导性，一直是重要研究对象，因为它们在超导量子位元、低温互补金属氧化物半导体（CMOS）控制电路的应用中极具潜力。

虽然锗材料拥有高电洞迁移率且易于加工，但要将其转化为超导体仍然存在诸多挑战。先前科学家尝试用多种技术，希望它能够成为超导体，却面临结构无序、掺杂剂团聚、界面不连贯以及层厚控制不佳等问题，导致电子无法自由移动成为超导体。

这次，由澳洲昆士兰大学（University of Queensland）主导与美国纽约大学（New York University）、俄亥俄州立大学（Ohio State University）以及苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）组成研究团队，利用“分子束外延技术”（MBE）成功克服这个问题，使锗变成高质量的低温超导体。

研究团队介绍，锗和硅都具有类钻石晶体结构，它们介于金属和绝缘体之间，占据着独特的地位，而它们的多功能性和耐久性，变成现代制造业的核心材料，业界会使用掺杂技术改变半导体的电气性能，但多数效果不佳且阻止超导性的产生。

为了使这类元素具有超导性，研究人员抛去传统的离子注入法，改用分子束外延技术。过程中，他们透过精准的生长温度（100～150°C）和原子通量，让表面形成的镓原子浮动层促进锗原子低温生长，让镓原子可以有效、稳定地取代部分锗原子，以此有效保证了薄膜表面的平整度和单晶的结晶性质。

他们透过仪器观察这些薄膜中的镓取代情况。结果显示，高达17.9%的锗原子被镓取代。该结果超出标准的固溶度极限，达到“超掺杂”的范畴，代表他们成功制备出高品质、掺杂了大量镓的锗薄膜（Ga:Ge）。

除了单层薄膜之外，研究团队还使用类似三明治结构，让两层厚度只有几奈米（nm）的Ga:Ge薄膜，夹入一层几奈米大小的硅（Si）层，以此模拟垂直约瑟夫森（Josephson Junction）结构，这种结构的超导体能在温度3.5K（约?270℃）情况下，达到零电阻状态。

此外，该方法也能将原本的硅层替换成锗金属层，且元件依然稳定运行，并在2K（约?271℃）时达到零电阻状态。这两者证明该工艺，能够精确控制奈米级厚度与界面质量。

研究人员透过多种仪器和电子显微镜观察发现，虽然镓成功取代了锗原子会使晶体略微变形，但整体结构依然保持稳定。

对此，研究人员表示，只要改变晶体结构，就可以让原本在常态下不具超导性的IV族元素，形成电子配对达到超导特性。这项研究成果不仅解决了长期以来关于锗无法成为超导材料的争议，也为可扩展、节能量子装置、低温电子元件的研发铺平了道路。

纽约大学物理学家贾瓦德‧沙巴尼（Javad Shabani）解释，“锗金属已广泛用于电脑晶片和光纤上，若在锗中能实现超导特性，有望彻底改写许多消费品和工业技术。”

昆士兰大学物理学家彼得‧雅各布森（Peter Jacobson）则补充，“这些材料有望成为未来量子电路、感测器和低功耗低温电子装置的基础，这些都需要超导区和半导体区之间具有清晰的介面。”

他接着说，“锗已经是先进半导体技术的主要材料，因此透过证明它在可控生长条件下也能实现超导性。这个实验结果有望制造出可扩展的、可直接用于代工生产的量子装置。”

昆士兰大学物理学家、该研究的合著者朱利安‧斯蒂尔（Julian Steele）表示，“我们没有采用离子注入法，而是采用分子束外延技术将镓原子精确的掺入锗晶格里。该技术就像在晶格里面生长一层薄晶体层，能够精准控制结构精度和性能，使其拥有超导性。”

这项研究获得了美国空军科学研究办公室（FA9550-21-1-0338）的部分资助，并标志着超导特性融入电子材料的技术迈出重要一步，有望重塑未来的运算与量子技术。该究成果于10月底发表在著名期刊《自然》（Nature）上。