高效超导二极管可能永远改变芯片

随着超导体风靡一时，很多其他方面的故事开始被忽视。但科学无处不在、无时无刻：现在，麻省理工学院 (MIT) 的一个研究小组开发出了一种超导装置，他们称这种装置将提高电子产品的能量和热效率。

与 LK-99 一样，麻省理工学院设计的二极管（一种开关器件）仍处于设计初期。但即便如此，Jagadeesh Moodera（主要作者）等人表示，在承载电流（并防止损耗）方面，该二极管的效率已经是以前二极管架构的两倍，并且还留有足够的设计空间来改进其特性。

它甚至可能影响量子计算。事实上，这一进展是团队研究 Majorana 费米子时的一个偶然发现，Majorana 费米子是拓扑量子位的构建模块之一，这是一种尚未得到证实的量子位设计，微软一直在追求这种设计。该团队很快意识到他们受马约拉纳启发的超导二极管工作可以很容易地转移到经典（即非量子）电路领域。

麻省理工学院设计的二极管（横向切割）在上述设计中，麻省理工学院的二极管由超导薄膜（灰色）顶部的铁磁条（粉色）组成。研究小组还确定了产生的电流仅沿一个方向传播且没有阻力的关键因素。（来源：麻省理工学院）

半导体二极管沿一个方向传导电流，但不沿另一个方向传导电流，这使它们在电子领域具有多种应用。它们的单向特性是由于两种电荷载流子（电子和空穴）的导电行为的差异而成为可能的。超导二极管也可用于传感器和其他设备。但由于超电流只有一种类型的载流子——所谓的库珀对中的电子，因此实现超导二极管更加困难。2020 年，研究人员在由层状材料制成的超导器件中展示了二极管效应，该器件需要精确堆叠、强自旋轨道耦合和独特形式的库珀配对。如今，麻省理工学院的 Jagadeesh Moodera 和合作者已经制造出了一种更有效、设计更简单且不受深奥电子效应影响的超导二极管。

该团队的二极管设计由铌或钒的薄带组成。与大多数单元素超导体不同，铌和钒都是 II 型超导体，这意味着施加适当强度的磁场会引起超电流涡流的形成，所有涡流都以相同的方向旋转。Moodera 及其同事应用了一个垂直于其设备表面的场，在带内产生涡流，以及沿着带边缘的超电流（称为迈斯纳电流）。从顶部看，一个边缘电流向正向流动，另一个边缘电流向反向流动。然后，研究人员在带材两端正向和反向发送外部电流，并测量每种情况的净电流。

原则上，反向传播的边缘电流是相等的，因此它们对净电流的贡献应该抵消。但在实践中，制造条带不可避免地会导致两个边缘之间的结构差异。麻省理工学院的团队发现，这种意外的不对称性足够大，足以导致二极管效率达到 20%——定义为正向和反向净电流之间的差值除以总和。研究人员发现，通过在其中一个边缘故意添加凹口，他们可以将二极管效率提高到 50%。但他们通过用铁磁绝缘体硫化铕覆盖层的固有磁场取代所施加的磁场，获得了 65% 的效率，这是迄今为止所看到的最大值。

实际上，研究团队已经证明，普通超导体中存在巨大的二极管效应，这是由于简单的几何对称性被破坏而产生的。Moodera 说，这种超导二极管可以立即用于超导电子学，并在未来用于超导或拓扑量子比特电路。

菲利普·莫尔在德国马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所研究量子材料。他指出，在单元超导体中观察到大二极管效应具有重要意义，因为它们的简单性将使应用更容易、更可扩展。

二极管是所有芯片的关键组成部分，也是电路设计不可或缺的一部分。晶体管用于将输入信号从芯片内的低电阻电路放大到高电阻电路，而二极管通常负责将交流电 (AC) 转换为直流电 (DC)。

由于芯片设计受到电损耗产生的热量的严格限制（越来越复杂的晶体管设计和新的冷却技术以有限的方式处理这些问题，这是一个瓶颈），无损二极管在改善计算和散热方面的优势效率不容低估。

制造超高效二极管需要具备超导体的所有特征。麻省理工学院的研究团队表明，可以优化二极管器件边缘之间的微小差异（通过添加锯齿状边缘或应用其他变形）。这就是为什么设计仍然可以进行优化：可能的设计变化数量是巨大的，而且只有这么多时间来找到最佳的不对称配置。

这种设计怪癖表明，即使材料的微小差异也可能导致不成比例的结果。这些二极管还具有超导特征，例如迈斯纳效应和锁定预先存在的磁场的能力（称为磁通钉扎）。

Philip Moll（德国马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所所长，未参与这项研究）在接受《科学日报》采访时表示，麻省理工学院团队的论文展示了超导二极管现在如何成为「从工程角度完全解决的问题」」。他还补充说，该设计所展示的效率记录「甚至没有尝试」就达到了，结构「还远未优化」。这听起来像是非常「聪明」（尽管仍然很难）的科学。

至关重要的是，该团队表示其超导二极管非常坚固，能够在很宽的温度范围内工作，同时有可能为新技术和设计打开大门。工程师们表示，这些二极管的设计非常简单且足够兼容，因此可以轻松扩展，这为这一发现增添了相关性——可以在单个硅晶圆上生产数百万个二极管。