在整个 20 世纪，包括诺贝尔奖获得者在内的许多科学家都在为超导的本质而苦苦挣扎，超导是 1911 年由荷兰物理学家卡默林格·翁内斯发现的。在超导体中，电流在没有电阻的情况下流过导线，这意味着几乎不可能抑制该电流甚至阻断它——更不用说让电流只以一种方式流动而不是另一种方式流动。

　　但最近， 代尔夫特理工大学 （TU Delft） 的副教授 Mazhar Ali 和他的研究小组发现了没有磁场的单向超导性，这自 1911 年发现以来一直被认为是不可能的——直到现在。这一发现发表在《自然》杂志上，利用了二维量子材料，为超导计算铺平了道路。超导体可以使电子产品的速度提的速度提高数百倍，而且能量损失为零。

　　Ali说：“如果 20世纪是半导体的世纪，那么 21世纪可以成为超导体的世纪。”

　　Ali的团队能够制造出单向超导——这是计算所必需的——这一事实令人瞩目：这就像发明了一种特殊类型的冰，这种冰一方面具有零摩擦，另一方面具有不可克服的摩擦。

　　超导体：超快速、超绿色

　　将超导体应用于电子产品的优势是双重的。超导体可以使电子产品的速度提高数百倍，将超导体融入我们的日常生活将使 IT 更加环保：如果你将一根超导线从这里连到月球，它可以毫无损失地传输能量。

　　根据荷兰研究委员会 （NWO） 的说法，使用超导体代替传统半导体可能会节省多达 10% 的西方能源储备。

　　在 20世纪及以后，没有人能够解决使超导电子仅单向运行的障碍，这是计算和其他现代电子设备所需的基本特性（例如，考虑单向运行的二极管）。在正常传导中，电子作为单独的粒子飞来飞去；在超导体中，它们成对成对地移动，而不会损失任何电能。在 70 年代，IBM 的科学家们尝试了超导计算的想法，但不得不停止努力：在他们关于该主题的论文中，IBM 提到如果没有非互易的超导性，在超导体上运行的计算机是不可能的。

　　超导性 是在某些材料中看到的一组物理特性，其中电阻消失并且磁通量场被排出。超导体是具有这些特性的任何物质。

　　在本文里，我们采访了Ali，试图去了解他这个成果背后的意义：

　　问：为什么，当单向方向与正常半导体一起工作时，单向超导以前从未工作过？

　　Mazhar Ali： “半导体中的电传导，如 Si，可以是单向的，因为有一个固定的内部电偶极子，因此它们可以拥有一个内置的潜在网络。教科书的例子是著名的”pn结“；我们将两个半导体拼接在一起：一个有额外的电子（-），另一个有额外的空穴（+）。电荷的分离产生了一个净内置电势，电子在系统中飞行时会感受到这种电势。这破坏了对称性并可能导致”单向“属性，因为向前与向后不再相同。与偶极子同向与逆向是有区别的；就像你在河里游泳或顺河游泳一样。”

　　“在没有磁场的情况下，超导体从未有过这种单向想法的模拟；因为它们与金属（即，顾名思义的导体）比半导体更相关，半导体总是双向导电并且没有任何内置潜力。同样，约瑟夫森结（JJs）是两个超导体的夹层，超导体之间有非超导的经典势垒材料，也没有任何特殊的对称破坏机制带来”前向“和”前向“之间的差异。”

　　问：你是如何做到最初看起来不可能的事情的？

　　Ali： “这确实是我小组的一个基础研究方向的结果。在我们所说的”量子材料约瑟夫森结“（QMJJs）中，我们用量子材料势垒代替了 JJ 中的经典势垒材料，其中量子材料的固有特性可以以新颖的方式调节两个超导体之间的耦合。约瑟夫森二极管就是一个例子：我们使用量子材料 Nb 3 Br 8 ，这是一种二维材料，如石墨烯，理论上可以承载净电偶极子，作为我们选择的量子材料屏障，并将其放置在两个超导体之间。”

　　“我们能够仅剥离 Nb 3 Br 8 的几个原子层，并制作一个非常非常薄的三明治——只有几个原子层厚——这是制造约瑟夫森二极管所需的，而普通 3D 无法做到这一点材料。Nb 3 Br 8 是我们的合作者美国约翰霍普金斯大学Tyrel McQueen教授及其团队正在开发的一组新量子材料的一部分，是我们首次实现约瑟夫森二极管的关键部分。”

　　问：这一发现在影响和应用方面意味着什么？

　　Ali： “许多技术都是基于旧版本的 JJ 超导体，例如 MRI 技术。此外，今天的量子计算基于约瑟夫森结。以前只能使用半导体才能实现的技术现在可以使用这种构建块通过超导体制造。这包括速度更快的计算机，例如速度高达太赫兹的计算机，比我们现在使用的计算机快 300 到 400 倍。这将影响各种社会和技术应用。如果说 20 世纪是半导体的世纪，那么 21 世纪就可以成为超导体的世纪。”

　　“我们必须针对商业应用解决的第一个研究方向是提高工作温度。在这里，我们使用了一种非常简单的超导体来限制工作温度。现在我们想使用已知的所谓”高温超导体“，看看我们是否可以在 77 K 以上的温度下操作约瑟夫森二极管，因为这将允许液氮冷却。第二个要解决的问题是扩大生产规模。虽然我们证明这在纳米设备中有效，这很好，但我们只制造了少数。下一步将是研究如何将生产规模扩大到芯片上数百万个约瑟夫森二极管。”

　　问：你对你的应用有多大把握？

　　Ali： “所有科学家都需要采取几个步骤来保持科学严谨性。首先是确保他们的结果是可重复的。在这种情况下，我们从头开始使用不同批次的材料制造了许多设备，并且每次都发现相同的特性，即使是在不同国家的不同机器上由不同的人进行测量时也是如此。这告诉我们，约瑟夫森二极管的结果来自我们的材料组合，而不是污垢、几何形状、机器或用户错误或解释的虚假结果。”

　　“我们还进行了”确凿无疑“的实验，大大缩小了解释的可能性。在这种情况下，为了确保我们有超导二极管效应，我们实际上尝试”切换“二极管；正如我们在正向和反向上施加相同大小的电流，并表明我们实际上在一个方向上没有测量电阻（超导性），而在另一个方向上测量到真实电阻（正常电导率）。”

　　“我们还在施加不同大小的磁场时测量了这种效应，并表明这种效应在 0 外加场时明显存在，并被外加场杀死。这也是我们声称在零应用场具有超导二极管效应的确凿证据，这是技术应用的一个非常重要的点。这是因为纳米尺度的磁场非常难以控制和限制，因此对于实际应用，通常希望在不需要局部磁场的情况下进行操作。”

　　问：普通计算机（甚至是 KNMI 和 IBM 的超级计算机）利用超导是否现实？

　　Ali：“ 是的！不是为了家里的人，而是为了服务器场或超级计算机，实现这一点是明智的。集中计算实际上是当今世界的运作方式。任何和所有密集计算都在集中式设施中完成，本地化在电源管理、热管理等方面增加了巨大的好处。现有的基础设施可以在没有太多成本的情况下与基于约瑟夫森二极管的电子设备一起使用。如果克服另一个问题中讨论的挑战，这将很有可能彻底改变集中式计算和超级计算！”

　　原文链接： https://scitechdaily.com/breakthrough-discovery-of-the-one-way-superconductor-thought-to-be-impossible/