挑戰(zhàn)“不可能” 零磁場(chǎng)下單向超導(dǎo)體問世 或徹底改變集中式計(jì)算和超級(jí)計(jì)算

據(jù)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(xiàn)了零磁場(chǎng)的單向超導(dǎo)性，這自1911年發(fā)現(xiàn)“超導(dǎo)體”以來一直被認(rèn)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(dǎo)計(jì)算鋪平了道路，或徹底改變集中式計(jì)算和超級(jí)計(jì)算。

超導(dǎo)體由荷蘭物理學(xué)家卡末林·昂內(nèi)斯于1911年發(fā)現(xiàn)，它可以使電子設(shè)備的速度提高數(shù)百倍，且無能量損耗。可從此以后，沒有人能夠解決讓超導(dǎo)電子僅單向運(yùn)動(dòng)的問題。正常傳導(dǎo)中，電子以單粒子的形式運(yùn)動(dòng);在超導(dǎo)體中，它們成對(duì)運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)損失任何電能。

阿里解釋道，約瑟夫森結(jié)是由兩塊超導(dǎo)體夾以某種很薄的勢(shì)壘材料而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，例如S(超導(dǎo)體)—I(半導(dǎo)體或絕緣體)—S(超導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)，如同一個(gè)三明治。它沒有任何特殊的破壞對(duì)稱性機(jī)制可導(dǎo)致電子單向?qū)щ姟?/p>

現(xiàn)在，阿里團(tuán)隊(duì)成功地實(shí)現(xiàn)了零磁場(chǎng)下的單向超導(dǎo)。打比方說，這相當(dāng)于其發(fā)明了一種特殊類型的冰，這種冰在一種方向滑動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)零摩擦，而在另一種方向上則無法克服摩擦。

研究人員在其所稱的“量子材料約瑟夫森結(jié)”中，用量子材料Nb3Br8代替了約瑟夫森結(jié)中的經(jīng)典勢(shì)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(dǎo)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(diào)制兩個(gè)超導(dǎo)體之間的耦合。它是首次實(shí)現(xiàn)約瑟夫森二極管的關(guān)鍵部件，而正常三維材料無法做到。

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

他們?cè)谑┘硬煌瑥?qiáng)度的磁場(chǎng)時(shí)，也測(cè)量了這一效應(yīng)。結(jié)果表明，當(dāng)磁場(chǎng)為0時(shí)，這種效應(yīng)明顯存在，而當(dāng)磁場(chǎng)作用時(shí)，這種效應(yīng)就會(huì)消失。阿里表示，這也是其所說的超導(dǎo)二極管效應(yīng)在零磁場(chǎng)下存在的確鑿證據(jù)，這一點(diǎn)對(duì)于技術(shù)應(yīng)用來說非常重要。

這項(xiàng)成果的了不起之處在于，以前只能使用半導(dǎo)體去實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，現(xiàn)在有望使用超導(dǎo)體架構(gòu)而成。其中最重要的一項(xiàng)就是實(shí)現(xiàn)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)，比我們當(dāng)前設(shè)備快300到400倍，其問世將影響各項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用甚至整個(gè)社會(huì)。而從短期來看，憑借這項(xiàng)成果，現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施也可以在不花費(fèi)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，這將是集中式計(jì)算和超級(jí)計(jì)算變革的開端。(實(shí)習(xí)記者張佳欣)

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