在整個 20 世紀，包括諾貝爾獎獲得者在內的許多科學家都在為超導的本質而苦苦掙扎，超導是 1911 年由荷蘭物理學家卡默林格·翁內斯發現的。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 和他的研究小組發現了沒有磁場的單向超導性，這自 1911 年發現以來一直被認為是不可能的——直到現在。這一發現發表在《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品的速度提的速度提高數百倍，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。”

　　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

　　將超導體應用于電子產品的優勢是雙重的。超導體可以使電子產品的速度提高數百倍，將超導體融入我們的日常生活將使 IT 更加環保：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。

　　根據荷蘭研究委員會 （NWO） 的說法，使用超導體代替傳統半導體可能會節省多達 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，這是計算和其他現代電子設備所需的基本特性（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。

　　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部電偶極子，因此它們可以擁有一個內置的潛在網絡。教科書的例子是著名的”pn結“；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（+）。電荷的分離產生了一個凈內置電勢，電子在系統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別的；就像你在河里游泳或順河游泳一樣。”

　　“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，半導體總是雙向導電并且沒有任何內置潛力。同樣，約瑟夫森結（JJs）是兩個超導體的夾層，超導體之間有非超導的經典勢壘材料，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。”

　　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研究方向的結果。在我們所說的”量子材料約瑟夫森結“（QMJJs）中，我們用量子材料勢壘代替了 JJ 中的經典勢壘材料，其中量子材料的固有特性可以以新穎的方式調節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。”

　　“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的一組新量子材料的一部分，是我們首次實現約瑟夫森二極管的關鍵部分。”

　　問：這一發現在影響和應用方面意味著什么？

　　Ali： “許多技術都是基于舊版本的 JJ 超導體，例如 MRI 技術。此外，今天的量子計算基于約瑟夫森結。以前只能使用半導體才能實現的技術現在可以使用這種構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，比我們現在使用的計算機快 300 到 400 倍。這將影響各種社會和技術應用。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。”

　　“我們必須針對商業應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規模。雖然我們證明這在納米設備中有效，這很好，但我們只制造了少數。下一步將是研究如何將生產規模擴大到芯片上數百萬個約瑟夫森二極管。”

　　問：你對你的應用有多大把握？

　　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果是可重復的。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備，并且每次都發現相同的特性，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果。”

　　“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，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）。”

　　“我們還在施加不同大小的磁場時測量了這種效應，并表明這種效應在 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用場具有超導二極管效應的確鑿證據，這是技術應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，因此對于實際應用，通常希望在不需要局部磁場的情況下進行操作。”

　　問：普通計算機（甚至是 KNMI 和 IBM 的超級計算機）利用超導是否現實？

　　Ali：“ 是的！不是為了家里的人，而是為了服務器場或超級計算機，實現這一點是明智的。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。現有的基礎設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備一起使用。如果克服另一個問題中討論的挑戰，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/