半導體材料重大突破：常見的鍺實現超導性

「在電腦晶片和光纖中廣泛使用的鍺實現超導性，有可能徹底改變眾多消費產品和工業技術。」—— 紐約大學 Javad Shabani

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過去數十年來，科學家們一直致力於使矽和鍺等半導體材料具有超導性，但始終面臨巨大的挑戰。主要原因在於，要維持這些材料在超導狀態下所需的原子排列極其困難。如今，一項由紐約大學、昆士蘭大學、蘇黎世聯邦理工學院和俄亥俄州立大學的研究團隊合作的研究，成功地在常見的半導體材料鍺中實現了超導性，為電子和量子設備的發展開啟了新的篇章。這項研究獲得了美國空軍科學研究辦公室的部分支持。

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零電阻導電：超導鍺的潛在應用

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超導性最引人注目的特性之一是其零電阻導電能力。這意味著電流可以在超導材料中無損耗地流動，從而顯著提高設備性能並降低功耗。在鍺中實現超導性，為開發下一代電子和量子設備提供了可能，例如量子電路、感測器和低功耗低溫電子設備。昆士蘭大學的 Peter Jacobson 指出，這些材料可以支持未來的量子電路、傳感器和低功耗低溫電子產品，所有這些都需要超導和半導體區域之間的清潔介面。

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分子束磊晶：精確控制原子結構的關鍵

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研究人員使用分子束磊晶（Molecular Beam Epitaxy，MBE）技術，將鎵（Gallium）大量注入鍺薄膜中，從而實現對原子結構的精確控制。與傳統的離子植入方法不同，MBE 能夠精確地將鎵原子整合到鍺的晶格中，同時保持晶體的穩定性。昆士蘭大學的 Julian Steele 強調，他們使用分子束磊晶而不是離子注入，以精確地將鎵原子整合到鍺的晶格中。傳統的摻雜方法往往會破壞晶體的穩定性，阻礙超導性的實現。研究團隊還使用了先進的 X 射線方法來引導這一過程，促使鎵原子取代鍺原子，同時保持晶體的穩定性。

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研究結果表明，這種經過特殊處理的鍺在極低的溫度下（3.5 開爾文，約 -453 華氏度）表現出超導性。雖然鎵的替換會稍微扭曲晶體，但它保持了晶體的整體穩定性，並使其能夠以零電阻傳導電流，證實其已成為超導體。

維持極低溫度下的精細原子排列對於實現和維持超導性至關重要。

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廣泛的技術影響：從電腦晶片到量子設備

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這項突破性的研究成果具有廣泛的技術應用前景。鍺已經是先進半導體技術中的一種主要材料，因此，證明它在受控生長條件下也能夠成為超導體，為可擴展、可量產的量子設備提供了潛力。這項技術的應用範圍包括：

• 電腦晶片： 超導鍺可以提高電腦晶片的性能，降低功耗。
• 光纖： 超導鍺可以提高光纖通信的速度和效率。
• 量子電路： 超導鍺是構建量子計算機的關鍵材料。
• 感測器： 超導鍺可以用於製造高靈敏度的感測器。
• 低功耗低溫電子設備： 超導鍺可以應用於需要極低功耗的低溫電子設備。

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該技術還允許製造具有數百萬個像素的晶體約瑟夫森接面（Josephson junctions）。約瑟夫森接面是一種由兩個超導體和一個薄的非超導屏障組成的量子設備，對於量子計算和感測至關重要。使用這種新材料堆疊，可以在晶圓級別上創建數百萬個約瑟夫森接面像素（10 微米平方）。