挑战“不可能” 零磁场下单向超导体问世

科技日报北京4月27日电 （实习记者张佳欣）据27日发表在《自然》杂志上的论文，荷兰代尔夫特理工大学副教授马扎尔·阿里及其研究小组已经发现了零磁场的单向超导性，这自1911年发现“超导体”以来一直被认为是不可能的。他们利用二维量子材料，制造出约瑟夫森二极管，为超导计算铺平了道路，或彻底改变集中式计算和超级计算。

超导体由荷兰物理学家卡末林·昂内斯于1911年发现，它可以使电子设备的速度提高数百倍，且无能量损耗。可从此以后，没有人能够解决让超导电子仅单向运动的问题。正常传导中，电子以单粒子的形式运动；在超导体中，它们成对运动，而不会损失任何电能。

阿里解释道，约瑟夫森结是由两块超导体夹以某种很薄的势垒材料而构成的结构，例如S（超导体）—I（半导体或绝缘体）—S（超导体）结构，如同一个三明治。它没有任何特殊的破坏对称性机制可导致电子单向导电。

现在，阿里团队成功地实现了零磁场下的单向超导。打比方说，这相当于其发明了一种特殊类型的冰，这种冰在一种方向滑动时实现零摩擦，而在另一种方向上则无法克服摩擦。

研究人员在其所称的“量子材料约瑟夫森结”中，用量子材料Nb3Br8代替了约瑟夫森结中的经典势垒材料，剥离了Nb3Br8几个原子层后，将其作为三明治的超薄“夹心”，放置于两个超导体之间，从而制作了约瑟夫森二极管。

Nb3Br8是一种像石墨烯一样的二维材料，理论上它含有一个净电偶极子，其本征特性可以新方式调制两个超导体之间的耦合。它是首次实现约瑟夫森二极管的关键部件，而正常三维材料无法做到。

为了确保新的约瑟夫森二极管具有超导二极管效应，研究人员在其正向和反向都施加了相同大小的电流，结果表明，在一个方向上实际上没有测量到电阻（超导电性），而在另一个方向上测量到了实际电阻（正常电导率）。

他们在施加不同强度的磁场时，也测量了这一效应。结果表明，当磁场为0时，这种效应明显存在，而当磁场作用时，这种效应就会消失。阿里表示，这也是其所说的超导二极管效应在零磁场下存在的确凿证据，这一点对于技术应用来说非常重要。

这项成果的了不起之处在于，以前只能使用半导体去实现的技术，现在有望使用超导体架构而成。其中最重要的一项就是实现速度更快的计算机，例如速度高达太赫兹的计算机，比我们当前设备快300到400倍，其问世将影响各项技术应用甚至整个社会。而从短期来看，凭借这项成果，现有的基础设施也可以在不花费太多成本的情况下，与基于约瑟夫森二极管的电子设备一起使用，这将是集中式计算和超级计算变革的开端。