突破！經(jīng)典半導(dǎo)體變身超導(dǎo)體

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鍺（Germanium）—— 這種曾被認(rèn)為已被完全研究透徹的半導(dǎo)體，近日令科學(xué)界倍感驚喜。當(dāng)與合適的金屬結(jié)合時(shí)，它能轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)材料——這一發(fā)現(xiàn)或可填補(bǔ)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(mèng)想將傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(jì)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(shí)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(xiàng)新研究，詳細(xì)闡述了科學(xué)家如何成功將鍺轉(zhuǎn)化為零電阻導(dǎo)電材料。鍺早已是半導(dǎo)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(yàn)證的可擴(kuò)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(dǎo)性，科學(xué)家必須引入大量自由電子。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員通過向鍺中重度摻雜鎵（gallium）實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)——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(huì)破壞材料結(jié)構(gòu)。但研究團(tuán)隊(duì)采用了一種名為“外延生長(zhǎng)（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(xué)（University of Queensland）物理學(xué)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(dǎo)性產(chǎn)生所需的結(jié)構(gòu)精度。”

實(shí)驗(yàn)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(dǎo)性。這一溫度極低得難以想象，但恰好處于當(dāng)今尖端量子系統(tǒng)中超導(dǎo)量子比特的工作溫度范圍之內(nèi)。

為可擴(kuò)展量子硬件鋪路

同樣來自昆士蘭大學(xué)的物理學(xué)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(dǎo)區(qū)域與半導(dǎo)體區(qū)域之間具備極其潔凈的接口。”

一個(gè)極具前景的應(yīng)用方向是約瑟夫森結(jié)（Josephson junction）——超導(dǎo)量子比特的核心組件。這種微型器件由兩個(gè)超導(dǎo)體構(gòu)成，中間夾著一層薄薄的非超導(dǎo)勢(shì)壘。在這一方案中，兩個(gè)超導(dǎo)體均可由鍺制成：一個(gè)采用超導(dǎo)形態(tài)，另一個(gè)則保持標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)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(gè)約瑟夫森結(jié)——這是實(shí)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(gè)世界：一邊是成熟的經(jīng)典計(jì)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）

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