麻省理工研發出高效超導二極管，或將徹底改變芯片

8月8日消息，近期韓國研究人員公布的LK-99室溫超導體材料研究，引發了全球的持續關注。雖然目前韓國研究團隊已經撤回了論壇，并且全球各地的實驗室也并未證實LK-99為室溫超導體，不過其所表現出的抗磁性以及可能的低電阻特性，為室溫超體材料的研究帶來了一個新的方向。近日，麻省理工學院（MIT）的一個研究小組開發出了一種超導二極管器件（低溫超導器件），他們說這種器件將提高電子產品的能源和熱效率，相關研究已經發表在了《Physical Review Letters》的在線期刊上。

與LK-99（仍在經歷混亂的復制和同行評審過程）一樣，麻省理工學院設計的超導二極管（一種開關器件）仍處于設計初期。然而，即便如此，該論文的主要作者Jagadeesh Moodera等人表示，在承載電流（和防止損耗）方面，該二極管的效率已經是以前的二極管架構的兩倍，并且有足夠的設計空間來改善其特性。

它將徹底改變芯片，甚至可能影響量子計算。事實上，這一發展是一個偶然的發現，因為MIT的研究團隊研究了拓撲量子比特的構建塊之一的“馬約拉納費米子” (/ma???rɑ?n? ?f??rmi??n/)，這是一種尚未得到證實的量子比特設計。該研究團隊很快意識到他們受馬約拉納費米子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。

二極管是任何芯片的關鍵基礎部分，也是電路設計不可或缺的一部分。雖然晶體管用于將輸入信號從低電阻電路放大到芯片內的高電阻電路，而二極管通常負責將交流電（AC）轉換為直流電（DC）。而且二極管還具有在一個方向上單向傳導電流的特性，它們的單向特性是通過兩種類型的電荷載流子（電子和空穴）的導電行為的差異來實現的。這使得它們在電子產品中具有廣泛的應用。

由于芯片設計受到電損耗產生的熱量的強烈限制（這是一個瓶頸，晶體管設計和以有限的方式處理這些問題的新冷卻技術越來越復雜），所以無損二極管在改善計算和熱效率方面的好處不應被低估。

超導二極管也可用于傳感器和其他設備。但是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——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。現在，MIT研究團隊所研發的超導二極管，不僅更有效，設計也更簡單。

該團隊的二極管設計由一條鈮或釩的細條組成。與大多數單元素超導體不同，鈮和釩都是II型超導體，這意味著施加的適當強度的磁場會誘發超電流渦旋的形成，這些漩渦都以相同的意義旋轉。Moodera及其同事施加了垂直于其設備表面的這種場，在條帶內引起渦流，以及沿著條帶邊緣的超電流（稱為邁斯納電流）。從上面看，一個邊沿電流向右流動（在“向前”方向），另一個向左流動（在“反向”方向）。然后，研究人員在條帶的末端發送外部電流 - 正向和反向 - 并測量每種情況下的凈電流。

△新的超導二極管設計由鐵磁絕緣體（橙色）下方的超導體條（藍色）組成。來自鐵磁體的磁場（綠色箭頭）沿超導體邊緣感應超電流，這會影響施加電壓時流動的凈電流（紅色箭頭）。與反向相比，該凈電流在正向方向上更大。

原則上，反向傳播的邊沿電流是相等的，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。MIT的研究小組發現，這種偶然的不對稱性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，他們可以通過故意在其中一個邊緣添加凹口來將二極管效率提高到50%。但是實際上他們獲得了65%的效率，這是迄今為止看到的最大值，通過用鐵磁絕緣體硫化銪覆蓋層的固有磁場代替施加的磁場。

MIT的研究小組表明，二極管器件邊緣之間的微小差異可以優化（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有待優化的原因：可能的設計變化量是巨大的，只有還有很多時間來找到最好的非對稱配置。

這些研究表明，即使是材料的微觀差異也會導致不成比例的結果。這些二極管還具有超導特性，例如邁斯納效應和鎖定預先存在的磁場的能力（稱為磁通銷）。

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SciTechDaily采訪時表示，MIT團隊的論文展示了在單元素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，更具可擴展性。“Moodera及其同事工作的美妙之處在于，他們甚至沒有怎么嘗試就獲得了創紀錄的效率。”不過，他也指出“他們的結構遠未優化。

至關重要的是，該團隊表示其超導二極管堅固耐用，能夠在很寬的溫度范圍內工作，同時可能為新技術和設計打開大門。工程師們表示，這些二極管的設計簡單且兼容，易于擴展到數百萬個二極管可以在單個硅晶圓上生產。

編輯：芯智訊-浪客劍