長期以來，科學家一直追求直接將普通半導體變超導體，但半導體與超導體材料屬不同領域，融合兩者特性並應用於現代製程極具挑戰性。直到最近，一個國際團隊首次成功使關鍵半導體材料鍺具備超導性，有望大幅推進無線通訊、低耗能電子運算技術發展。
傳統半導體（如矽、鍺）具良好電子控制能力，是現代資訊與運算基石，超導體則為最有效率載流材料。數十年來，科學家一直試圖使矽、鍺等半導體實現超導性，既不會造成能量損失，還能大幅提高電子設備速度、效率。
但半導體、超導體的晶格結構、電子傳輸性質存在根本性差異，半導體能帶結構使電子在常溫下導電性有限，需額外激發或摻雜其他元素才能提升導電性，超導體則要求大量電子形成庫珀對並凝聚，這對載流子密度遠低於典型金屬的半導體來說極難辦到。
想讓半導體材料進入零電阻超導狀態，需改變它們的原子排列結構以增加可傳導的電子數量，同時保持結構高純度，再引入大量電子使電子配對、在晶格中毫無阻力移動——眾所周知，這過程很難在原子尺度上進行微調，加上鍺、矽都是具類金剛石晶體結構的 IV 族元素，以穩定性和靈活性聞名，結構或晶格成分稍有偏差就很難形成所需超導電子態。
引領量子設備世代
科學家通常利用「摻雜」技術改變半導體電氣行為，一般來說，高含量鎵會破壞晶體穩定性，從而阻礙超導性，但紐約大學、昆士蘭大學等機構組成的團隊開發一種新型鍺薄膜，使用分子束磊晶（Molecular beam epitaxy，MBE）方法將鎵原子精確融入鍺晶格，成功使材料在 3.5K 超低溫下無阻傳導電流，在維持結構穩定與純度的前提下，讓半導體「晉升」超導行列。
鍺如今已是先進半導體技術主力材料，廣泛應用於電腦晶片、光纖領域，這項研究工作強調，科學家終於能控制使半導體材料出現超導性所需的結構精度，為下一代量子電路、低功耗低溫電子元件、量子運算技術揭開新時代。
新論文發表在《自然奈米技術》（Nature Nanotechnology）期刊。
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（首圖來源：紐約大學）
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