挑戰“不可能” 零磁場下單向超導體問世

科技日報北京4月27日電 （實習記者張佳欣）據27日發表在《自然》雜誌上的論文，荷蘭代爾夫特理工大學副教授馬扎爾·阿里及其研究小組已經發現了零磁場的單向超導性，這自1911年發現“超導體”以來一直被認為是不可能的。他們利用二維量子材料，製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家卡末林·昂內斯於1911年發現，它可以使電子設備的速度提高數百倍，且無能量損耗。可從此以後，沒有人能夠解決讓超導電子僅單向運動的問題。正常傳導中，電子以單粒子的形式運動；在超導體中，它們成對運動，而不會損失任何電能。

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，如同一個三明治。它沒有任何特殊的破壞對稱性機制可導致電子單向導電。

現在，阿里團隊成功地實現了零磁場下的單向超導。打比方説，這相當於其發明了一種特殊類型的冰，這種冰在一種方向滑動時實現零摩擦，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”中，用量子材料Nb3Br8代替了約瑟夫森結中的經典勢壘材料，剝離了Nb3Br8幾個原子層後，將其作為三明治的超薄“夾心”，放置於兩個超導體之間，從而製作了約瑟夫森二極管。

Nb3Br8是一種像石墨烯一樣的二維材料，理論上它含有一個淨電偶極子，其本徵特性可以新方式調製兩個超導體之間的耦合。它是首次實現約瑟夫森二極管的關鍵部件，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，在一個方向上實際上沒有測量到電阻（超導電性），而在另一個方向上測量到了實際電阻（正常電導率）。

他們在施加不同強度的磁場時，也測量了這一效應。結果表明，當磁場為0時，這種效應明顯存在，而當磁場作用時，這種效應就會消失。阿里表示，這也是其所説的超導二極管效應在零磁場下存在的確鑿證據，這一點對於技術應用來説非常重要。

這項成果的了不起之處在於，以前只能使用半導體去實現的技術，現在有望使用超導體架構而成。其中最重要的一項就是實現速度更快的計算機，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，其問世將影響各項技術應用甚至整個社會。而從短期來看，憑藉這項成果，現有的基礎設施也可以在不花費太多成本的情況下，與基於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端。