科学家首次让锗在低温下呈现超导状态。通过在晶格中精准嵌入镓原子，研究团队让这种常见半导体能无阻传输电流，为量子器件和低能耗电子技术打开新方向。
在半导体世界里，锗一直像个沉默的老工匠。它稳定、可靠，是计算机芯片和光纤中的常客。直到最近，一组国际科研团队让它完成了一次几乎不可思议的转变。他们让锗变成了超导体，可以在极低温下以零阻力传输电流。这意味着电流可以在其中永不停息地循环，不会浪费一丝能量。
这一成果发表在《自然纳米技术》上，有望改变未来电脑、量子设备和低温电子系统的设计方式。
纽约大学的Javad Shabani说，让锗变超导可能会重塑大量消费级电子产品和工业技术。来自昆士兰大学的Peter Jacobson补充，这种材料有望成为新一代量子电路和低功耗传感器的基础，因为它能同时提供半导体和超导体所需的干净界面。
故事的开头要从一个长期难题说起。科学家尝试了几十年，希望把硅和锗这类半导体推向超导状态。它们的原子结构精密而脆弱，一旦电子数量或排列稍有偏差，材料就会失去稳定性。诱导超导性的关键是让电子成对移动，而要做到这一点，需要在原子级的尺度上进行极细致的调控。
这次的突破来自一种被称为精准掺杂的技术。研究团队在锗薄膜中加入了大量镓。镓原子通常会扰乱晶格，使结构变形，导致材料无法稳定超导。但团队使用高精度的X射线工具观察结构变化，并采用分子束外延技术，让镓原子以更温和的方式渗入晶格，逐渐取代部分锗原子。
这种替换让晶体轻微扭曲，却不至于崩塌。最终形成的新结构在3.5开尔文下成功表现出超导性。这个温度虽然极低，却足以证明材料的电子可以无阻流动。
昆士兰大学的Julian Steele解释，传统的离子注入方式太过粗暴，会破坏晶体结构。分子束外延就像在原子层面“写字”，能一层层长出均匀且精确的晶体，让科研团队终于能掌控超导性的形成条件。
Shabani说，来自碳族的元素本不具备超导性，但微调晶格就能激发电子配对，从而形成超导态。这是一种并非“天生”，却可以“雕刻”出来的超导性。
这项研究集合了纽约大学、昆士兰大学、苏黎世联邦理工学院和俄亥俄州立大学的科研力量，部分资金来自美国空军科研办公室。国际合作在这里展现出它的力量，让人类更接近可规模化的量子器件，也让一个普通元素获得了全新的生命。
科学的美妙就在于此。当你以为世界已经按部就班，它总会在原子深处打开一道亮光，引我们继续探路。
本文译自 Scientists turn common semiconductor into a superconductor | ScienceDaily，由 BALI 编辑发布。
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