在整個(gè) 20 世紀(jì)，包括諾貝爾獎(jiǎng)獲得者在內(nèi)的許多科學(xué)家都在為超導(dǎo)的本質(zhì)而苦苦掙扎，超導(dǎo)是 1911 年由荷蘭物理學(xué)家卡默林格·翁內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)的。在超導(dǎo)體中，電流在沒(méi)有電阻的情況下流過(guò)導(dǎo)線，這意味著幾乎不可能抑制該電流甚至阻斷它——更不用說(shuō)讓電流只以一種方式流動(dòng)而不是另一種方式流動(dòng)。
但最近，代爾夫特理工大學(xué) (TU Delft) 的副教授 Mazhar Ali 和他的研究小組發(fā)現(xiàn)了沒(méi)有磁場(chǎng)的單向超導(dǎo)性，這自 1911 年發(fā)現(xiàn)以來(lái)一直被認(rèn)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(dǎo)計(jì)算鋪平了道路。超導(dǎo)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(shuō)：“如果 20世紀(jì)是半導(dǎo)體的世紀(jì)，那么 21世紀(jì)可以成為超導(dǎo)體的世紀(jì)。”
Ali的團(tuán)隊(duì)能夠制造出單向超導(dǎo)——這是計(jì)算所必需的——這一事實(shí)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(dǎo)體：超快速、超綠色
將超導(dǎo)體應(yīng)用于電子產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)是雙重的。超導(dǎo)體可以使電子產(chǎn)品的速度提高數(shù)百倍，將超導(dǎo)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(dǎo)線從這里連到月球，它可以毫無(wú)損失地傳輸能量。
根據(jù)荷蘭研究委員會(huì) (NWO) 的說(shuō)法，使用超導(dǎo)體代替?zhèn)鹘y(tǒng)半導(dǎo)體可能會(huì)節(jié)省多達(dá) 10% 的西方能源儲(chǔ)備。
在 20世紀(jì)及以后，沒(méi)有人能夠解決使超導(dǎo)電子僅單向運(yùn)行的障礙，這是計(jì)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(yùn)行的二極管）。在正常傳導(dǎo)中，電子作為單獨(dú)的粒子飛來(lái)飛去；在超導(dǎo)體中，它們成對(duì)成對(duì)地移動(dòng)，而不會(huì)損失任何電能。在 70 年代，IBM 的科學(xué)家們嘗試了超導(dǎo)計(jì)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(méi)有非互易的超導(dǎo)性，在超導(dǎo)體上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)是不可能的。
超導(dǎo)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(chǎng)被排出。超導(dǎo)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(gè)成果背后的意義：
問(wèn)：為什么，當(dāng)單向方向與正常半導(dǎo)體一起工作時(shí)，單向超導(dǎo)以前從未工作過(guò)？
Mazhar Ali：“半導(dǎo)體中的電傳導(dǎo)，如 Si，可以是單向的，因?yàn)橛幸粋€(gè)固定的內(nèi)部電偶極子，因此它們可以擁有一個(gè)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(gè)半導(dǎo)體拼接在一起：一個(gè)有額外的電子（-），另一個(gè)有額外的空穴（+）。電荷的分離產(chǎn)生了一個(gè)凈內(nèi)置電勢(shì)，電子在系統(tǒng)中飛行時(shí)會(huì)感受到這種電勢(shì)。這破壞了對(duì)稱性并可能導(dǎo)致“單向”屬性，因?yàn)橄蚯芭c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(méi)有磁場(chǎng)的情況下，超導(dǎo)體從未有過(guò)這種單向想法的模擬；因?yàn)樗鼈兣c金屬（即，顧名思義的導(dǎo)體）比半導(dǎo)體更相關(guān)，半導(dǎo)體總是雙向?qū)щ姴⑶覜](méi)有任何內(nèi)置潛力。同樣，約瑟夫森結(jié)（JJs）是兩個(gè)超導(dǎo)體的夾層，超導(dǎo)體之間有非超導(dǎo)的經(jīng)典勢(shì)壘材料，也沒(méi)有任何特殊的對(duì)稱破壞機(jī)制帶來(lái)“前向”和“前向”之間的差異。”
問(wèn)：你是如何做到最初看起來(lái)不可能的事情的？
Ali：“這確實(shí)是我小組的一個(gè)基礎(chǔ)研究方向的結(jié)果。在我們所說(shuō)的“量子材料約瑟夫森結(jié)”（QMJJs）中，我們用量子材料勢(shì)壘代替了 JJ 中的經(jīng)典勢(shì)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(gè)超導(dǎo)體之間的耦合。約瑟夫森二極管就是一個(gè)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(gè)超導(dǎo)體之間?！?/p>
“我們能夠僅剝離 Nb 3 Br 8的幾個(gè)原子層，并制作一個(gè)非常非常薄的三明治——只有幾個(gè)原子層厚——這是制造約瑟夫森二極管所需的，而普通 3D 無(wú)法做到這一點(diǎn)材料。Nb 3Br 8是我們的合作者美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)Tyrel McQueen教授及其團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)的一組新量子材料的一部分，是我們首次實(shí)現(xiàn)約瑟夫森二極管的關(guān)鍵部分。”
問(wèn)：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(dǎo)體，例如 MRI 技術(shù)。此外，今天的量子計(jì)算基于約瑟夫森結(jié)。以前只能使用半導(dǎo)體才能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)現(xiàn)在可以使用這種構(gòu)建塊通過(guò)超導(dǎo)體制造。這包括速度更快的計(jì)算機(jī)，例如速度高達(dá)太赫茲的計(jì)算機(jī)，比我們現(xiàn)在使用的計(jì)算機(jī)快 300 到 400 倍。這將影響各種社會(huì)和技術(shù)應(yīng)用。如果說(shuō) 20 世紀(jì)是半導(dǎo)體的世紀(jì)，那么 21 世紀(jì)就可以成為超導(dǎo)體的世紀(jì)?！?/p>
“我們必須針對(duì)商業(yè)應(yīng)用解決的第一個(gè)研究方向是提高工作溫度。在這里，我們使用了一種非常簡(jiǎn)單的超導(dǎo)體來(lái)限制工作溫度?，F(xiàn)在我們想使用已知的所謂“高溫超導(dǎo)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?yàn)檫@將允許液氮冷卻。第二個(gè)要解決的問(wèn)題是擴(kuò)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(kuò)大到芯片上數(shù)百萬(wàn)個(gè)約瑟夫森二極管。”
問(wèn)：你對(duì)你的應(yīng)用有多大把握？
Ali： “所有科學(xué)家都需要采取幾個(gè)步驟來(lái)保持科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)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(kāi)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(guó)家的不同機(jī)器上由不同的人進(jìn)行測(cè)量時(shí)也是如此。這告訴我們，約瑟夫森二極管的結(jié)果來(lái)自我們的材料組合，而不是污垢、幾何形狀、機(jī)器或用戶錯(cuò)誤或解釋的虛假結(jié)果?！?/p>
“我們還進(jìn)行了“確鑿無(wú)疑”的實(shí)驗(yàn)，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(dǎo)二極管效應(yīng)，我們實(shí)際上嘗試“切換”二極管；正如我們?cè)谡蚝头聪蛏鲜┘酉嗤笮〉碾娏?，并表明我們?shí)際上在一個(gè)方向上沒(méi)有測(cè)量電阻（超導(dǎo)性），而在另一個(gè)方向上測(cè)量到真實(shí)電阻（正常電導(dǎo)率）。”
“我們還在施加不同大小的磁場(chǎng)時(shí)測(cè)量了這種效應(yīng)，并表明這種效應(yīng)在 0 外加場(chǎng)時(shí)明顯存在，并被外加場(chǎng)殺死。這也是我們聲稱在零應(yīng)用場(chǎng)具有超導(dǎo)二極管效應(yīng)的確鑿證據(jù)，這是技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)非常重要的點(diǎn)。這是因?yàn)榧{米尺度的磁場(chǎng)非常難以控制和限制，因此對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，通常希望在不需要局部磁場(chǎng)的情況下進(jìn)行操作。”
問(wèn)：普通計(jì)算機(jī)（甚至是 KNMI 和 IBM 的超級(jí)計(jì)算機(jī)）利用超導(dǎo)是否現(xiàn)實(shí)？
Ali：“是的！不是為了家里的人，而是為了服務(wù)器場(chǎng)或超級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)是明智的。集中計(jì)算實(shí)際上是當(dāng)今世界的運(yùn)作方式。任何和所有密集計(jì)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(méi)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(gè)問(wèn)題中討論的挑戰(zhàn)，這將很有可能徹底改變集中式計(jì)算和超級(jí)計(jì)算！”
