荷蘭科學(xué)家發(fā)現零磁場(chǎng)下的單向超導性 為超導計算鋪平道路

據27日發(fā)表在《自然》雜志上的論文，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)副教授馬扎爾·阿里及其研究小組已經(jīng)發(fā)現了零磁場(chǎng)的單向超導性，這自1911年發(fā)現“超導體”以來(lái)一直被認為是不可能的。他們利用二維量子材料，制造出約瑟夫森二極管，為超導計算鋪平了道路，或徹底改變集中式計算和超級計算。

超導體由荷蘭物理學(xué)家卡末林·昂內斯于1911年發(fā)現，它可以使電子設備的速度提高數百倍，且無(wú)能量損耗?？蓮拇艘院?，沒(méi)有人能夠解決讓超導電子僅單向運動(dòng)的問(wèn)題。正常傳導中，電子以單粒子的形式運動(dòng);在超導體中，它們成對運動(dòng)，而不會(huì )損失任何電能。

阿里解釋道，約瑟夫森結是由兩塊超導體夾以某種很薄的勢壘材料而構成的結構，例如S(超導體)—I(半導體或絕緣體)—S(超導體)結構，如同一個(gè)三明治。它沒(méi)有任何特殊的破壞對稱(chēng)性機制可導致電子單向導電。

現在，阿里團隊成功地實(shí)現了零磁場(chǎng)下的單向超導。打比方說(shuō)，這相當于其發(fā)明了一種特殊類(lèi)型的冰，這種冰在一種方向滑動(dòng)時(shí)實(shí)現零摩擦，而在另一種方向上則無(wú)法克服摩擦。

研究人員在其所稱(chēng)的“量子材料約瑟夫森結”中，用量子材料Nb3Br8代替了約瑟夫森結中的經(jīng)典勢壘材料，剝離了Nb3Br8幾個(gè)原子層后，將其作為三明治的超薄“夾心”，放置于兩個(gè)超導體之間，從而制作了約瑟夫森二極管。

Nb3Br8是一種像石墨烯一樣的二維材料，理論上它含有一個(gè)凈電偶極子，其本征特性可以新方式調制兩個(gè)超導體之間的耦合。它是首次實(shí)現約瑟夫森二極管的關(guān)鍵部件，而正常三維材料無(wú)法做到。

為了確保新的約瑟夫森二極管具有超導二極管效應，研究人員在其正向和反向都施加了相同大小的電流，結果表明，在一個(gè)方向上實(shí)際上沒(méi)有測量到電阻(超導電性)，而在另一個(gè)方向上測量到了實(shí)際電阻(正常電導率)。

他們在施加不同強度的磁場(chǎng)時(shí)，也測量了這一效應。結果表明，當磁場(chǎng)為0時(shí)，這種效應明顯存在，而當磁場(chǎng)作用時(shí)，這種效應就會(huì )消失。阿里表示，這也是其所說(shuō)的超導二極管效應在零磁場(chǎng)下存在的確鑿證據，這一點(diǎn)對于技術(shù)應用來(lái)說(shuō)非常重要。

總編輯圈點(diǎn)

這項成果的了不起之處在于，以前只能使用半導體去實(shí)現的技術(shù)，現在有望使用超導體架構而成。其中最重要的一項就是速度更快的計算機，例如速度高達太赫茲的計算機，比我們當前設備快300到400倍，其問(wèn)世將影響各項技術(shù)應用甚至整個(gè)社會(huì )。而從短期來(lái)看，憑借這項成果，現有的基礎設施也可以在不花費太多成本的情況下，與基于約瑟夫森二極管的電子設備一起使用，這將是集中式計算和超級計算變革的開(kāi)端。(科技日報實(shí)習記者 張佳欣)

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關(guān)鍵詞： 單向超導體 超導計算 電子設備 磁場(chǎng)作用