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鍺（Germanium）—— 這種曾被認為已被完全研究透徹的半導體，近日令科學界倍感驚喜。當與合適的金屬結(jié)合時，它能轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢Р牧稀@一發(fā)現(xiàn)或可填補經(jīng)典電子技術(shù)與下一代量子器件之間的鴻溝。

多年來，研究人員一直夢想將傳統(tǒng)計算機硬件與量子處理器融合。盡管大多數(shù)研究聚焦于量子比特（qubits）的構(gòu)建——量子比特是量子計算的基礎(chǔ)單元，但這些脆弱的元件無法孤立工作。它們需要依靠傳統(tǒng)電子技術(shù)構(gòu)成的接口來實現(xiàn)控制、穩(wěn)定，并與現(xiàn)有系統(tǒng)連接。

發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）的一項新研究，詳細闡述了科學家如何成功將鍺轉(zhuǎn)化為零電阻導電材料。鍺早已是半導體行業(yè)的支柱材料，如今它有望成為連接量子技術(shù)與經(jīng)典技術(shù)的“缺失環(huán)節(jié)”——兼具極高靈敏度與已驗證的可擴展性。

原子層面的非凡穩(wěn)定性

鍺和硅這類材料介于金屬和絕緣體之間。要使其具備超導性，科學家必須引入大量自由電子。在這項實驗中，研究人員通過向鍺中重度摻雜鎵（gallium）實現(xiàn)了這一目標——用鎵原子替換了17.9%的鍺原子。

通常情況下，如此高的摻雜濃度會破壞材料結(jié)構(gòu)。但研究團隊采用了一種名為“外延生長（epitaxy）”的技術(shù)——逐層構(gòu)建晶體結(jié)構(gòu)，成功維持了完美的晶格穩(wěn)定性。該研究的合著者、昆士蘭大學（University of Queensland）物理學家朱利安·斯蒂爾（Julian Steele）解釋道：“這種方法為我們提供了理解和控制超導性產(chǎn)生所需的結(jié)構(gòu)精度?！?/p>

實驗結(jié)果顯示：這種穩(wěn)定晶體在僅3.5開爾文（-269.65°C）的溫度下即可呈現(xiàn)超導性。這一溫度極低得難以想象，但恰好處于當今尖端量子系統(tǒng)中超導量子比特的工作溫度范圍之內(nèi)。

為可擴展量子硬件鋪路

同樣來自昆士蘭大學的物理學家彼得·雅各布森（Peter Jacobson）表示：“這些材料有望催生新一代量子電路、傳感器以及高能效低溫電子器件。每一種器件都需要超導區(qū)域與半導體區(qū)域之間具備極其潔凈的接口。”

一個極具前景的應(yīng)用方向是約瑟夫森結(jié)（Josephson junction）——超導量子比特的核心組件。這種微型器件由兩個超導體構(gòu)成，中間夾著一層薄薄的非超導勢壘。在這一方案中，兩個超導體均可由鍺制成：一個采用超導形態(tài)，另一個則保持標準半導體形態(tài)。

若該技術(shù)趨于完善，工程師將能夠在單塊晶圓上制造數(shù)百萬個約瑟夫森結(jié)——這是實現(xiàn)量子處理器工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵一步。

有史以來第一次，單一元素或許能銜接兩個世界：一邊是成熟的經(jīng)典計算基礎(chǔ)設(shè)施，另一邊是具有變革性潛力的量子技術(shù)。

（來源：futura-sciences）

*免責聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個人觀點，半導體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業(yè)觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導體行業(yè)觀察。

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