麻省理工学院（MIT）的一组科学家与同事们合作研发出了一种简单的超导装置，能够比现今可能的方式更高效地传输电流通过电子设备。因此，这种新型二极管——一种开关，可显著减少高功率计算系统的能量消耗。这是一个预测未来将更加重要的迫切问题。尽管它还处于早期开发阶段，但这种二极管的效率比其他人报道的类似产品高出一倍以上。它甚至可能成为新兴量子计算技术的核心组成部分。

MIT科学家与同事们创建了一种简单的超导装置，能够比现今可能的方式更有效地传输电流通过电子设备。因此，这种新型二极管——一种开关，能够大幅度减少高功率计算系统的能源消耗，这是一个预计将变得更加严重的主要问题。尽管它还处于早期开发阶段，但这种二极管比其他人报道的类似产品效率高出一倍以上。它甚至可能成为新兴量子计算技术的核心组成部分。

这项研究成果将于7月13日物理评论快报的在线发布上报道，并成为《物理杂志》一篇新闻报道的主题。

“从工程角度来看，这篇论文展示了超导二极管已经完全解决了问题，”德国马克斯·普朗克结构与动力学研究所的所长菲利普·莫尔说道。莫尔并没有参与这项工作。“这项工作的美妙之处在于，穆德拉和他的同事们在不费力气的情况下取得了创纪录的效率，并且他们的结构远未达到最优化。”

“我们的工程实现了一个稳固且能在广泛温度范围内工作的超导二极管效应，这可能为新型技术打开了大门，”当前工作的领导者、麻省理工学院物理系的高级研究科学家贾戈迪什·穆德拉说道。穆德拉还与材料研究实验室、弗朗西斯·比特磁实验室以及等离子科学和聚变中心（PSFC）有所关联。

这种纳米级矩形二极管，其厚度约为人类头发直径的1,000倍，容易进行规模化生产。数百万个二极管可以在一块硅晶片上制造出来。”

走向一个超导开关

二极管是计算系统中无处不在的设备，它能够使电流在一个方向上容易传导，而在反向上不行。现代半导体计算机芯片中包含着数十亿个类似二极管的设备，被称为晶体管。然而，由于电阻，这些设备会变得非常热，需要大量能量来冷却数据中心中的高功率系统，这些数据中心支撑着包括云计算在内的众多现代技术。根据《自然》杂志2018年的一篇新闻报道，这些系统在未来十年内可能占据全球电力的近20%。

因此，朝着用超导体制造二极管的工作在凝聚态物理学领域一直是一个热门话题。这是因为超导体在低温下（临界温度以下）传导电流时没有任何电阻，因此比它们的半导体表亲更加高效，后者会以热的形式有明显的能量损失。

然而，直到现在，其它解决该问题的方法涉及更加复杂的物理现象。Moodera表示：“我们发现的效应部分是由超导体的一种无处不在的特性造成的，这种特性可以通过非常简单和直接的方式来实现。它就深深地呈现在你的眼前。”

马克斯·普朗克物质结构和动力学研究所的莫尔表示：“这项工作是对目前流行的将超导二极管与有限动量配对状态等异乎寻常的物理相联系的一种重要对立观点。而实际上，超导二极管是一种常见而广泛存在于经典材料中的现象，是由于某种对称性的破裂所导致的。”

有些出其不意的发现

2020年，Moodera和他的同事们观察到了一种被称为Majorana费米子的奇特粒子对的证据。这种粒子对可能导致量子计算机的新系列拓扑量子位的出现。当思考如何创建超导二极管的方法时，该团队意识到他们为Majorana研究开发的材料平台也可以应用于二极管问题。

他们是正确的。使用那个通用平台，他们开发了不同版本的超导二极管，每个版本都比上一个更加高效。例如，第一个版本由一个纳米级薄层钒（一种超导体）制成，并以与电子学中常见的结构（霍尔棒）进行了图案化。当他们施加一个与地球磁场相当的微弱磁场时，他们观察到了二极管效应——电流流动对极性的依赖性。

随后，他们又创建了另一个二极管，这次是将一个超导体与铁磁体（在他们的情况下是铁磁绝缘体）层叠在一起，铁磁体产生了自己微小的磁场。他们在磁化铁磁体，使其产生自己的磁场后，发现了一个更大的二极管效应，即使在关闭原始磁场后仍然保持稳定。

普遍性质

该团队继续研究所发生的事情。

除了在传导电流时没有电阻外，超导体还具有其他不太被人知的但同样普遍存在的特性。例如，它们不喜欢磁场进入。当暴露在微弱的磁场下时，超导体会产生内部的超电流，引发自身磁通量，以抵消外部磁场，从而保持其超导状态。这种现象被称为迈斯纳屏蔽效应，可以类比于我们人体免疫系统释放抗体来对抗细菌和其他病原体感染。然而，这种作用只能在一定范围内发挥作用。同样地，超导体不能完全阻挡大型磁场。

该团队创建的二极管利用了这种普遍的迈斯纳屏蔽效应。他们施加的微弱磁场（直接施加或通过相邻的铁磁体层）激活材料的屏蔽电流机制，将外部磁场排斥并保持超导性。

该团队还发现，优化这些超导二极管的另一个关键因素是二极管设备的两侧或边缘之间的微小差异。Moodera表示：“这些差异在磁场进入超导体的方式上创造了一种不对称性。”

通过在二极管上工程化自己的边缘形式来优化这些差异（例如，一个边缘具有锯齿特征，而另一个边缘没有经过有意的改变），研究团队发现可以将效率从20%提高到50%以上。Moodera表示，这一发现为可以进一步提高效率的设备的边缘进行“调谐”打开了大门。

总而言之，该团队发现，在超导二极管的边缘不对称性、所有超导体中普遍存在的迈斯纳屏蔽效应以及超导体的第三个特性——涡旋钉扎效应，共同产生了二极管效应。

“看到这些不太显眼但又无处不在的因素如何在观察二极管效应方面产生显著影响是令人着迷的，”论文的第一作者、来自弗朗西斯·克里斯特磁体实验室和等离子科学和聚变中心的博士后研究员Yasen Hou表示，“更令人兴奋的是，这项工作提供了一种直接的方法，有巨大的潜力进一步提高效率。”

克里斯托夫·斯特朗克是德国雷根斯堡大学的教授。他表示：“目前的工作证明了简单超导带中的超电流可以变为非对称。此外，当与铁磁绝缘体结合时，二极管效应甚至可以在没有外部磁场的情况下维持。磁层剩磁可以编程矫正方向，这对未来的应用前景非常有潜力。无论是从基础研究还是应用的角度来看，这项工作都很重要且有吸引力。”