在整個 20 世紀，包括諾貝爾獎獲得者在內(nèi)的許多科學家都在為超導的本質(zhì)而苦苦掙扎，超導是 1911 年由荷蘭物理學家卡默林格·翁內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)的。在超導體中，電流在沒有電阻的情況下流過導線，這意味著幾乎不可能抑制該電流甚至阻斷它——更不用說讓電流只以一種方式流動而不是另一種方式流動。
但最近， 代爾夫特理工大學 （TU Delft） 的副教授 Mazhar Ali 和他的研究小組發(fā)現(xiàn)了沒有磁場的單向超導性，這自 1911 年發(fā)現(xiàn)以來一直被認為是不可能的——直到現(xiàn)在。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然》雜志上，利用了二維量子材料，為超導計算鋪平了道路。超導體可以使電子產(chǎn)品的速度提的速度提高數(shù)百倍，而且能量損失為零。
Ali說：“如果 20世紀是半導體的世紀，那么 21世紀可以成為超導體的世紀?！?/p>
Ali的團隊能夠制造出單向超導——這是計算所必需的——這一事實令人矚目：這就像發(fā)明了一種特殊類型的冰，這種冰一方面具有零摩擦，另一方面具有不可克服的摩擦。
超導體：超快速、超綠色
將超導體應(yīng)用于電子產(chǎn)品的優(yōu)勢是雙重的。超導體可以使電子產(chǎn)品的速度提高數(shù)百倍，將超導體融入我們的日常生活將使 IT 更加環(huán)保：如果你將一根超導線從這里連到月球，它可以毫無損失地傳輸能量。
根據(jù)荷蘭研究委員會 （NWO） 的說法，使用超導體代替?zhèn)鹘y(tǒng)半導體可能會節(jié)省多達 10% 的西方能源儲備。
在 20世紀及以后，沒有人能夠解決使超導電子僅單向運行的障礙，這是計算和其他現(xiàn)代電子設(shè)備所需的基本特性（例如，考慮單向運行的二極管）。在正常傳導中，電子作為單獨的粒子飛來飛去；在超導體中，它們成對成對地移動，而不會損失任何電能。在 70 年代，IBM 的科學家們嘗試了超導計算的想法，但不得不停止努力：在他們關(guān)于該主題的論文中，IBM 提到如果沒有非互易的超導性，在超導體上運行的計算機是不可能的。
超導性 是在某些材料中看到的一組物理特性，其中電阻消失并且磁通量場被排出。超導體是具有這些特性的任何物質(zhì)。
在本文里，我們采訪了Ali，試圖去了解他這個成果背后的意義：
問：為什么，當單向方向與正常半導體一起工作時，單向超導以前從未工作過？
Mazhar Ali： “半導體中的電傳導，如 Si，可以是單向的，因為有一個固定的內(nèi)部電偶極子，因此它們可以擁有一個內(nèi)置的潛在網(wǎng)絡(luò)。教科書的例子是著名的”pn結(jié)“；我們將兩個半導體拼接在一起：一個有額外的電子（-），另一個有額外的空穴（+）。電荷的分離產(chǎn)生了一個凈內(nèi)置電勢，電子在系統(tǒng)中飛行時會感受到這種電勢。這破壞了對稱性并可能導致”單向“屬性，因為向前與向后不再相同。與偶極子同向與逆向是有區(qū)別的；就像你在河里游泳或順河游泳一樣?！?/p>
“在沒有磁場的情況下，超導體從未有過這種單向想法的模擬；因為它們與金屬（即，顧名思義的導體）比半導體更相關(guān)，半導體總是雙向?qū)щ姴⑶覜]有任何內(nèi)置潛力。同樣，約瑟夫森結(jié)（JJs）是兩個超導體的夾層，超導體之間有非超導的經(jīng)典勢壘材料，也沒有任何特殊的對稱破壞機制帶來”前向“和”前向“之間的差異?！?/p>
問：你是如何做到最初看起來不可能的事情的？
Ali： “這確實是我小組的一個基礎(chǔ)研究方向的結(jié)果。在我們所說的”量子材料約瑟夫森結(jié)“（QMJJs）中，我們用量子材料勢壘代替了 JJ 中的經(jīng)典勢壘材料，其中量子材料的固有特性可以以新穎的方式調(diào)節(jié)兩個超導體之間的耦合。約瑟夫森二極管就是一個例子：我們使用量子材料 Nb 3 Br 8 ，這是一種二維材料，如石墨烯，理論上可以承載凈電偶極子，作為我們選擇的量子材料屏障，并將其放置在兩個超導體之間?！?/p>
“我們能夠僅剝離 Nb 3 Br 8 的幾個原子層，并制作一個非常非常薄的三明治——只有幾個原子層厚——這是制造約瑟夫森二極管所需的，而普通 3D 無法做到這一點材料。Nb 3 Br 8 是我們的合作者美國約翰霍普金斯大學Tyrel McQueen教授及其團隊正在開發(fā)的一組新量子材料的一部分，是我們首次實現(xiàn)約瑟夫森二極管的關(guān)鍵部分。”
問：這一發(fā)現(xiàn)在影響和應(yīng)用方面意味著什么？
Ali： “許多技術(shù)都是基于舊版本的 JJ 超導體，例如 MRI 技術(shù)。此外，今天的量子計算基于約瑟夫森結(jié)。以前只能使用半導體才能實現(xiàn)的技術(shù)現(xiàn)在可以使用這種構(gòu)建塊通過超導體制造。這包括速度更快的計算機，例如速度高達太赫茲的計算機，比我們現(xiàn)在使用的計算機快 300 到 400 倍。這將影響各種社會和技術(shù)應(yīng)用。如果說 20 世紀是半導體的世紀，那么 21 世紀就可以成為超導體的世紀?！?/p>
“我們必須針對商業(yè)應(yīng)用解決的第一個研究方向是提高工作溫度。在這里，我們使用了一種非常簡單的超導體來限制工作溫度。現(xiàn)在我們想使用已知的所謂”高溫超導體“，看看我們是否可以在 77 K 以上的溫度下操作約瑟夫森二極管，因為這將允許液氮冷卻。第二個要解決的問題是擴大生產(chǎn)規(guī)模。雖然我們證明這在納米設(shè)備中有效，這很好，但我們只制造了少數(shù)。下一步將是研究如何將生產(chǎn)規(guī)模擴大到芯片上數(shù)百萬個約瑟夫森二極管?！?/p>
問：你對你的應(yīng)用有多大把握？
Ali： “所有科學家都需要采取幾個步驟來保持科學嚴謹性。首先是確保他們的結(jié)果是可重復(fù)的。在這種情況下，我們從頭開始使用不同批次的材料制造了許多設(shè)備，并且每次都發(fā)現(xiàn)相同的特性，即使是在不同國家的不同機器上由不同的人進行測量時也是如此。這告訴我們，約瑟夫森二極管的結(jié)果來自我們的材料組合，而不是污垢、幾何形狀、機器或用戶錯誤或解釋的虛假結(jié)果?！?/p>
“我們還進行了”確鑿無疑“的實驗，大大縮小了解釋的可能性。在這種情況下，為了確保我們有超導二極管效應(yīng)，我們實際上嘗試”切換“二極管；正如我們在正向和反向上施加相同大小的電流，并表明我們實際上在一個方向上沒有測量電阻（超導性），而在另一個方向上測量到真實電阻（正常電導率）?！?/p>
“我們還在施加不同大小的磁場時測量了這種效應(yīng)，并表明這種效應(yīng)在 0 外加場時明顯存在，并被外加場殺死。這也是我們聲稱在零應(yīng)用場具有超導二極管效應(yīng)的確鑿證據(jù)，這是技術(shù)應(yīng)用的一個非常重要的點。這是因為納米尺度的磁場非常難以控制和限制，因此對于實際應(yīng)用，通常希望在不需要局部磁場的情況下進行操作?！?/p>
問：普通計算機（甚至是 KNMI 和 IBM 的超級計算機）利用超導是否現(xiàn)實？
Ali：“ 是的！不是為了家里的人，而是為了服務(wù)器場或超級計算機，實現(xiàn)這一點是明智的。集中計算實際上是當今世界的運作方式。任何和所有密集計算都在集中式設(shè)施中完成，本地化在電源管理、熱管理等方面增加了巨大的好處?，F(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施可以在沒有太多成本的情況下與基于約瑟夫森二極管的電子設(shè)備一起使用。如果克服另一個問題中討論的挑戰(zhàn)，這將很有可能徹底改變集中式計算和超級計算！”
原文鏈接： https://scitechdaily.com/breakthrough-discovery-of-the-one-way-superconductor-thought-to-be-impossible/
