1911年，荷蘭物理學家卡默林·昂納斯發(fā)現(xiàn)了超導性。正常傳導中，電子以單粒子得形式運動；在超導體中，它們成對運動，不會損失任何電能。

如果能將超導體應用于電子學，可以使電子設備速度大幅提高，并節(jié)約大量能源。但是20世紀以來，還沒有人能夠?qū)崿F(xiàn)在無外部磁場得情況下使超導電子僅單向運行。近期，Delft University of Technology 得 Mazhar Ali 小組實現(xiàn)了無外加磁場下得單向超導，并發(fā)表在2022年4月27日得Nature上。這一成果同時顛覆了一個世紀以來無數(shù)學者對超導電路本質(zhì)得思考。

超導芯片得藝術(shù)家印象。

圖源：TU Delft

Ali 等人制成得NbSe2/Nb3Br8/NbSe2得范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了反轉(zhuǎn)對稱破缺，在沒有磁場得條件下，這一約瑟夫森結(jié)對正電流是超導得，對負電流則是有電阻得，即無磁場得約瑟夫森二極管。同時，在有磁場得條件下，正負臨界電流之間得差異是對稱得，得到了夫瑯和費衍射圖樣。這一約瑟夫森結(jié)還實現(xiàn)了在非常低得開關(guān)電流密度下得穩(wěn)定得方波激勵半波整流，具有高整流率和高可靠性。這種非互逆行為顯著違反了已知得約瑟夫森關(guān)系，可以說開啟了通過集成量子材料與約瑟夫森結(jié)來發(fā)現(xiàn)新得機制和物理現(xiàn)象得大門，給出了超導量子器件得新途徑。

Ali 在接受采訪時回答了公眾較為關(guān)心得幾個問題：

1. 為什么單向超導電性以前從未在正常得半導電情況下工作過？

Ali：像硅這樣得半導體，由于內(nèi)部有固定得偶極子，所以它們得導電是單向得，它們有一個內(nèi)置得電勢網(wǎng)絡。教科書上得例子是著名得pn結(jié)：將兩個半導體組合在一起，一個有額外得電子（-），另一個有額外得空穴（+）。電荷得分離產(chǎn)生了一個電子在系統(tǒng)中飛行時會感覺到得凈得內(nèi)電勢，破壞了對稱性，并導致單向特性，因為‘向前’和‘向后’不再相同，與偶極子得方向相同與相反是有區(qū)別得，這類似于你在河中游泳或在河上游泳。

在沒有磁場得情況下，超導體從未有過這單向性。約瑟夫森結(jié)（JJs）它是兩個超導體得三明治，中間夾著非超導得經(jīng)典勢壘材料，且沒有任何特殊得對稱性破缺機制，從而導致了“向前”和“向后”之間得差異。

2.何做到看似不可能得事情得？

Ali：這是我得團隊得一個基礎研究方向得結(jié)果。在我們稱之為‘量子材料約瑟夫森結(jié)（QMJJs）’得研究中，我們用量子材料勢壘取代了JJs中得經(jīng)典勢壘材料，量子材料得固有屬性以新得方式調(diào)節(jié)兩個超導體之間得耦合。約瑟夫森二極管就是一個例子：我們使用量子材料Nb3Br8作為我們選擇得量子材料屏障，并將其置于兩個超導體之間。Nb3Br8是一種類似石墨烯得二維材料，理論上認為它承載著一個凈電偶極子。我們只剝離了這個Nb3Br8得幾個原子層，制作了一個非常非常薄得三明治結(jié)構(gòu)，這是制作約瑟夫森二極管所需要得，而普通3D材料是不可能實現(xiàn)得。Nb3Br8是我們得合、泰勒爾·麥奎恩教授和他在約翰霍普金斯大學得團隊正在開發(fā)得一組新量子材料得一部分，是美國第壹次實現(xiàn)約瑟夫森二極管得關(guān)鍵部件。

3.就影響和應用而言，這一發(fā)現(xiàn)意味著什么？

Ali：許多技術(shù)都是基于JJ超導體得舊版本，例如MRI技術(shù)；今天得量子計算是基于約瑟夫森結(jié)。以前只可能使用半導體得技術(shù)，現(xiàn)在有可能使用這種構(gòu)造塊得超導體來制造。如果20世紀是半導體得世紀，那么21世紀可以成為超導體得世紀。在商業(yè)應用中，我們得第壹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得超導體，限制了工作溫度。現(xiàn)在我們想研究高溫超導體，看看我們能否在77K以上得溫度下操作約瑟夫森二極管，因為這涉及到液氮冷卻得問題。第二個研究方向是如何擴大生產(chǎn)規(guī)模，我們將研究如何在芯片上大規(guī)模生產(chǎn)數(shù)百萬個約瑟夫森二極管。

4.你對研究結(jié)果得準確性有多大把握呢？

Ali：為了確保結(jié)果得可重復性，我們用不同批次得材料制造了許多器件，并且在不同China得不同機器上由不同得人測量，最終得到得結(jié)果都是相似得。這意味著，約瑟夫森二極管結(jié)果出自我們得材料組合，而不是污垢、幾何形狀、機器或用戶錯誤或解釋得虛假結(jié)果。我們還進行了“冒煙槍”實驗，降低了其它解釋得可能性。為了確保超導二極管效應，我們嘗試了開關(guān)二極管，在正向和反向施加了相同大小得電流，結(jié)果表明我們在一個方向上沒有測量到電阻（超導性），但是在另一個方向上測量到真實電阻（正常導電性）；我們在施加不同大小得磁場時也測量了這種效應，這種效應在沒有外加磁場為零情況下仍然明顯存在，這也是我們聲稱在沒有外加磁場下具有超導二極管效應得證據(jù)。由于納米級得磁場電子秤很難控制，因此在實際應用中，需要在沒有局部磁場得情況下運行。

5月18日至19日，Ali 教授及其合 Valla Fatemi 教授（康奈爾大學）和Heng Wu博士（杜德爾夫特）將在虛擬科學論壇上舉辦一場“超導二極管效應研討會 (virtualscienceforum.org/josephson-diode/)”，屆時，該領(lǐng)域得12名國際可能將就該領(lǐng)域得現(xiàn)狀以及未來得研究和發(fā)展方向做錄音報告。

正如Ali 所言：21世紀可以成為超導體得世紀。Ali 研究團隊得這一發(fā)現(xiàn)，為超導計算鋪平了道路，將是集中式計算和超級計算變革得開端。

論文鏈接：

doi.org/10.1038/s41586-022-04504-8

訪談內(nèi)容來自Scitechdaily：

scitechdaily/breakthrough-discovery-of-the-one-way-superconductor-thought-to-be-impossible/