研究人员通过精准的原子工程手段，将常见半导体材料锗转变为超导体。这一突破性进展有望通过消除能量损耗，彻底变革未来电子设备与量子电路领域。

多年来，科研人员一直致力于研发既能作为半导体材料，又能发挥超导体特性的材料，从而显著提升计算机芯片和太阳能电池等技术的性能与效率。若能将这两种特性融为一体，便可为研发速度更快、更节能的设备创造条件，并为下一代量子系统的运行提供助力。

将这一愿景变为现实，实属不易。诸如硅和锗这类当今电子产业的基石材料，始终难以实现超导性，因为要维持电子无阻碍流动所需的精确原子结构，极具挑战性。

一支国际科学家团队现已取得重大进展。在近期发表于《自然·纳米技术》期刊的研究中，他们成功研制出一种具备超导特性的锗材料。该材料可无阻抗地传导电流，使电力得以无限循环而不产生任何能量损耗。这项突破性成果或将为开发速度更快、能效更高且功耗极低的电子设备铺平道路。

量子技术与消费科技的革命性潜力

纽约大学量子信息物理中心主任、该校新成立的量子研究所（该论文作者之一）负责人、物理学家贾瓦德·沙巴尼（Javad Shabani）表示：“锗已被广泛应用于计算机芯片和光纤领域，若能在锗中实现超导性，将有可能为众多消费产品和工业技术带来革命性变革。”

昆士兰大学物理学家、论文作者之一彼得·雅各布森补充道：“这些材料能够为未来的量子电路、传感器和低功耗低温电子器件提供基础支撑，而这些器件都需要在超导区域与半导体区域之间实现洁净的界面连接。锗已是先进半导体技术中的主力材料，如今我们证明其在可控生长条件下也能实现超导性，这为可扩展、适用于铸造厂的量子器件开辟了潜在前景。”

为何锗和硅如此重要

锗和硅同属第四主族元素，均具有类金刚石晶体结构，其电学特性介于金属与绝缘体之间。这种独特的平衡性使其成为制造耐用且功能多样器件的理想材料。若要使这类材料实现超导特性，科学家必须重构其原子排列以增加导电电子数量。这些电子随后会两两配对，在晶体中无阻碍地自由流动——然而，这一在原子层面实现并稳定该过程的技术难度极高，素来为学界公认的难题。

镓掺杂挑战

在《自然·纳米技术》期刊的研究中，科学家们制备出富含较软元素镓的锗薄膜，镓同样也是电子领域常用材料。这种由来已久的工艺被统称为“掺杂”，可改变半导体的电学特性——但当镓含量过高时，材料通常会变得不稳定，导致晶体结构崩塌，无法实现超导性。

然而，在最新公布的研究成果中，科学家们展示了一种先进的新型X射线技术，该技术能促使镓原子在晶体中以高于正常水平的比例取代锗原子。这一过程虽使晶体形态略有改变，但仍维持了稳定的结构，该结构能在3.5开尔文（约合-453华氏度）的温度下实现零电阻导电，从而具备超导性。

通过分子束外延技术实现精密工程

昆士兰大学物理学家、论文作者之一朱利安·斯蒂尔（Julian Steele）指出：“我们并未采用离子注入法，而是利用分子束外延技术，将镓原子精准地融入锗的晶体晶格中。”“采用外延法——即生长薄晶体层——意味着我们最终能够达成所需的结构精度，从而理解并控制超导性在这些材料中的呈现方式。”

沙巴尼（Shabani）指出：“之所以能取得这样的成果，是因为第四主族元素在常规条件下本身并不具备超导性，但通过改变其晶体结构，就能促成电子配对，进而实现超导。”

参考文献：《替代性镓超掺杂锗外延薄膜中的超导性》，作者：朱利安·A·斯蒂尔、帕特里克·J·斯特罗布恩、卡拉·维尔迪、阿尔德希尔·巴赫塔什、阿莉萨·达尼连科、易洵·陈、耶歇尔·范·迪克、弗雷德里克·H·克努森、阿克塞尔·勒布兰克、大卫·珀孔特、连洲·王、尤金·德姆勒、萨尔瓦·萨尔马尼-雷扎伊、彼得·雅各布森、贾瓦德·沙巴尼，刊载于《自然·纳米技术》，2025年10月30日。 DOI：10.1038/s41565-025-02042-8

该研究还吸纳了苏黎世联邦理工学院和俄亥俄州立大学的研究人员参与，部分资金由美国空军科学研究办公室（FA9550-21-1-0338）提供支持。