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挑戰“不可能” 零磁場下單向超導體問世

新科技
TIME
2022-04-28 10:17
科技日報
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  科技日報北京4月27日電 (實習記者張佳欣)據27日發表在《自然》雜志上的論文,荷蘭代爾夫特理工大學副教授馬扎爾·阿里及其研究小組已經發現了零磁場的單向超導性,這自1911年發現“超導體”以來一直被認為是不可能的。他們利用二維量子材料,制造出約瑟夫森二極管,為超導計算鋪平了道路,或徹底改變集中式計算和超級計算。

  超導體由荷蘭物理學家卡末林·昂內斯于1911年發現,它可以使電子設備的速度提高數百倍,且無能量損耗??蓮拇艘院?,沒有人能夠解決讓超導電子僅單向運動的問題。正常傳導中,電子以單粒子的形式運動;在超導體中,它們成對運動,而不會損失任何電能。

  阿里解釋道,約瑟夫森結是由兩塊超導體夾以某種很薄的勢壘材料而構成的結構,例如S(超導體)—I(半導體或絕緣體)—S(超導體)結構,如同一個三明治。它沒有任何特殊的破壞對稱性機制可導致電子單向導電。

  現在,阿里團隊成功地實現了零磁場下的單向超導。打比方說,這相當于其發明了一種特殊類型的冰,這種冰在一種方向滑動時實現零摩擦,而在另一種方向上則無法克服摩擦。

  研究人員在其所稱的“量子材料約瑟夫森結”中,用量子材料Nb3Br8代替了約瑟夫森結中的經典勢壘材料,剝離了Nb3Br8幾個原子層后,將其作為三明治的超薄“夾心”,放置于兩個超導體之間,從而制作了約瑟夫森二極管。

  Nb3Br8是一種像石墨烯一樣的二維材料,理論上它含有一個凈電偶極子,其本征特性可以新方式調制兩個超導體之間的耦合。它是首次實現約瑟夫森二極管的關鍵部件,而正常三維材料無法做到。

  為了確保新的約瑟夫森二極管具有超導二極管效應,研究人員在其正向和反向都施加了相同大小的電流,結果表明,在一個方向上實際上沒有測量到電阻(超導電性),而在另一個方向上測量到了實際電阻(正常電導率)。

  他們在施加不同強度的磁場時,也測量了這一效應。結果表明,當磁場為0時,這種效應明顯存在,而當磁場作用時,這種效應就會消失。阿里表示,這也是其所說的超導二極管效應在零磁場下存在的確鑿證據,這一點對于技術應用來說非常重要。

  這項成果的了不起之處在于,以前只能使用半導體去實現的技術,現在有望使用超導體架構而成。其中最重要的一項就是實現速度更快的計算機,例如速度高達太赫茲的計算機,比我們當前設備快300到400倍,其問世將影響各項技術應用甚至整個社會。而從短期來看,憑借這項成果,現有的基礎設施也可以在不花費太多成本的情況下,與基于約瑟夫森二極管的電子設備一起使用,這將是集中式計算和超級計算變革的開端。


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