包含单个原子的STM约瑟夫森结示意图。具有单个Pb、Mn和Cr吸附原子的Pb(111)表面STM形貌。（扫描参数：50mV，50pA，比例尺，3nm）
二极管是现代电子产品中最常见的元件之一，电流只向一个方向流动。科学家们长期以来一直探索制造超导二极管，以帮助建造速度更快、耗能更少的计算机。现在，一项新的研究揭示了用单个磁性原子制成的最小的超导二极管，这可能有助于开创超导电子学的新时代。
在某种程度上，普通电导体都抵抗电子流动，而超导体能无任何阻力地导电。这表明，使用二极管等超导元件制造的计算机在速度和功率方面可能比普通计算机更高效。目前已知超导体只能在极冷或高压下工作，因此无法用于个人电脑，但科学家们表示，超导电子器件仍可能在超级计算机或服务器农场等集中式设施中找到用途。
在过去五年左右的时间里，研究人员制造了第一批超导二极管。然而，这些技术要么依赖于对设备施加磁场，要么依赖于在器件中包含磁性层。柏林自由大学（Free University of Berlin）的实验物理学家、该研究的资深作者Katharina Franke说“第一种方法与更大的架构不兼容，在这种架构中，每个二极管都需要单独处理。第二种方法需要复杂的材料设计。”
现在，Franke和她的同事们已经创造出一种超导二极管，它仅仅由一个超导体和一个在它上面的磁性原子组成。“因此，这是一个简单的器件，通过选择磁性原子就可以简单地控制，”她说。
在新的研究中，研究人员用约瑟夫森结（Josephson junction）进行了实验，每个结都由夹在两个超导层之间的非常薄的绝缘膜组成。这些器件有助于组成异常敏感的磁传感器，被称为超导量子干涉设备，或SQUIDs。它们也是基于超导体的量子计算机的关键，IBM和谷歌正在建造这种计算机，希望有一天它们能从根本上超越任何常规计算机。
首先，研究人员在超导铅晶体上沉积单个磁性原子——铅、铬或锰。接下来，他们将扫描隧道显微镜的超导铅尖放在这些原子上。
该研究的主要作者，柏林自由大学的实验物理学家Martina Trahms和她的同事们发现，他们可以在这些原子级的约瑟夫森结中产生二极管效应。此外，他们可以根据夹在超导体中间的原子来控制这种效应的强度和方向。铅原子没有二极管效应，而铬和锰原子有，尽管电流以相反的方向流过它们。
柏林自由大学的理论物理学家Felix von Oppen和他的同事们的理论模型揭示了准粒子流有助于解释这种二极管机制。研究人员认为，这可能导致创造原子级超导二极管的新方法。
“在未来的某个时刻，超导二极管可能会被集成到量子计算机的构造中，”Franke补充道。她解释说，具体来说，它们可以作为量子计算机关键组件(称为量子位)之间的可控连接，也可以使量子位之间的破坏性相互作用最小化。
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