高效超導二極管可能永遠改變芯片

隨著超導體風靡一時，很多其他方面的故事開始被忽視。但科學無處不在、無時無刻：現在，麻省理工學院 (MIT) 的一個研究小組開發出了一種超導裝置，他們稱這種裝置將提高電子產品的能量和熱效率。

與 LK-99 一樣，麻省理工學院設計的二極管（一種開關器件）仍處于設計初期。但即便如此，Jagadeesh Moodera（主要作者）等人表示，在承載電流（并防止損耗）方面，該二極管的效率已經是以前二極管架構的兩倍，并且還留有足夠的設計空間來改進其特性。

它甚至可能影響量子計算。事實上，這一進展是團隊研究 Majorana 費米子時的一個偶然發現，Majorana 費米子是拓撲量子位的構建模塊之一，這是一種尚未得到證實的量子位設計，微軟一直在追求這種設計。該團隊很快意識到他們受馬約拉納啟發的超導二極管工作可以很容易地轉移到經典（即非量子）電路領域。

麻省理工學院設計的二極管（橫向切割）在上述設計中，麻省理工學院的二極管由超導薄膜（灰色）頂部的鐵磁條（粉色）組成。研究小組還確定了產生的電流僅沿一個方向傳播且沒有阻力的關鍵因素。（來源：麻省理工學院）

半導體二極管沿一個方向傳導電流，但不沿另一個方向傳導電流，這使它們在電子領域具有多種應用。它們的單向特性是由于兩種電荷載流子（電子和空穴）的導電行為的差異而成為可能的。超導二極管也可用于傳感器和其他設備。但由于超電流只有一種類型的載流子——所謂的庫珀對中的電子，因此實現超導二極管更加困難。2020 年，研究人員在由層狀材料制成的超導器件中展示了二極管效應，該器件需要精確堆疊、強自旋軌道耦合和獨特形式的庫珀配對。如今，麻省理工學院的 Jagadeesh Moodera 和合作者已經制造出了一種更有效、設計更簡單且不受深奧電子效應影響的超導二極管。

該團隊的二極管設計由鈮或釩的薄帶組成。與大多數單元素超導體不同，鈮和釩都是 II 型超導體，這意味著施加適當強度的磁場會引起超電流渦流的形成，所有渦流都以相同的方向旋轉。Moodera 及其同事應用了一個垂直于其設備表面的場，在帶內產生渦流，以及沿著帶邊緣的超電流（稱為邁斯納電流）。從頂部看，一個邊緣電流向正向流動，另一個邊緣電流向反向流動。然后，研究人員在帶材兩端正向和反向發送外部電流，并測量每種情況的凈電流。

原則上，反向傳播的邊緣電流是相等的，因此它們對凈電流的貢獻應該抵消。但在實踐中，制造條帶不可避免地會導致兩個邊緣之間的結構差異。麻省理工學院的團隊發現，這種意外的不對稱性足夠大，足以導致二極管效率達到 20%——定義為正向和反向凈電流之間的差值除以總和。研究人員發現，通過在其中一個邊緣故意添加凹口，他們可以將二極管效率提高到 50%。但他們通過用鐵磁絕緣體硫化銪覆蓋層的固有磁場取代所施加的磁場，獲得了 65% 的效率，這是迄今為止所看到的最大值。

實際上，研究團隊已經證明，普通超導體中存在巨大的二極管效應，這是由于簡單的幾何對稱性被破壞而產生的。Moodera 說，這種超導二極管可以立即用于超導電子學，并在未來用于超導或拓撲量子比特電路。

菲利普·莫爾在德國馬克斯·普朗克物質結構與動力學研究所研究量子材料。他指出，在單元超導體中觀察到大二極管效應具有重要意義，因為它們的簡單性將使應用更容易、更可擴展。

二極管是所有芯片的關鍵組成部分，也是電路設計不可或缺的一部分。晶體管用于將輸入信號從芯片內的低電阻電路放大到高電阻電路，而二極管通常負責將交流電 (AC) 轉換為直流電 (DC)。

由于芯片設計受到電損耗產生的熱量的嚴格限制（越來越復雜的晶體管設計和新的冷卻技術以有限的方式處理這些問題，這是一個瓶頸），無損二極管在改善計算和散熱方面的優勢效率不容低估。

制造超高效二極管需要具備超導體的所有特征。麻省理工學院的研究團隊表明，可以優化二極管器件邊緣之間的微小差異（通過添加鋸齒狀邊緣或應用其他變形）。這就是為什么設計仍然可以進行優化：可能的設計變化數量是巨大的，而且只有這么多時間來找到最佳的不對稱配置。

這種設計怪癖表明，即使材料的微小差異也可能導致不成比例的結果。這些二極管還具有超導特征，例如邁斯納效應和鎖定預先存在的磁場的能力（稱為磁通釘扎）。

Philip Moll（德國馬克斯·普朗克物質結構與動力學研究所所長，未參與這項研究）在接受《科學日報》采訪時表示，麻省理工學院團隊的論文展示了超導二極管現在如何成為「從工程角度完全解決的問題」」。他還補充說，該設計所展示的效率記錄「甚至沒有嘗試」就達到了，結構「還遠未優化」。這聽起來像是非常「聰明」（盡管仍然很難）的科學。

至關重要的是，該團隊表示其超導二極管非常堅固，能夠在很寬的溫度范圍內工作，同時有可能為新技術和設計打開大門。工程師們表示，這些二極管的設計非常簡單且足夠兼容，因此可以輕松擴展，這為這一發現增添了相關性——可以在單個硅晶圓上生產數百萬個二極管。