零磁场下的超导半导体：新物理和新器件的开端

2022-05-17 03:05

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1911年，荷兰物理学家卡默林·昂纳斯发现了超导性。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，不会损失任何电能。

如果能将超导体应用于电子学，可以使电子设备速度大幅提高，并节约大量能源。但是20世纪以来，还没有人能够实现在无外部磁场的情况下使超导电子仅单向运行。近期，Delft University of Technology 的 Mazhar Ali 小组实现了无外加磁场下的单向超导，并发表在2022年4月27日的Nature上。这一成果同时颠覆了一个世纪以来无数学者对超导电路本质的思考。

超导芯片的艺术家印象。

图源：TU Delft

Ali 等人制成的NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂的范德华异质结构，实现了反转对称破缺，在没有磁场的条件下，这一约瑟夫森结对正电流是超导的，对负电流则是有电阻的，即无磁场的约瑟夫森二极管。同时，在有磁场的条件下，正负临界电流之间的差异是对称的，得到了夫琅和费衍射图样。这一约瑟夫森结还实现了在非常低的开关电流密度下的稳定的方波激励半波整流，具有高整流率和高可靠性。这种非互逆行为显著违反了已知的约瑟夫森关系，可以说开启了通过集成量子材料与约瑟夫森结来发现新的机制和物理现象的大门，给出了超导量子器件的新途径。

Ali 在接受采访时回答了公众较为关心的几个问题：

1. 为什么单向超导电性以前从未在正常的半导电情况下工作过？

Ali：像硅这样的半导体，由于内部有固定的偶极子，所以它们的导电是单向的，它们有一个内置的电势网络。教科书上的例子是著名的pn结：将两个半导体组合在一起，一个有额外的电子（-），另一个有额外的空穴（+）。电荷的分离产生了一个电子在系统中飞行时会感觉到的净的内电势，破坏了对称性，并导致单向特性，因为‘向前’和‘向后’不再相同，与偶极子的方向相同与相反是有区别的，这类似于你在河中游泳或在河上游泳。

在没有磁场的情况下，超导体从未有过这单向性。约瑟夫森结（JJs）它是两个超导体的三明治，中间夹着非超导的经典势垒材料，且没有任何特殊的对称性破缺机制，从而导致了“向前”和“向后”之间的差异。

2.何做到看似不可能的事情的？

Ali：这是我的团队的一个基础研究方向的结果。在我们称之为‘量子材料约瑟夫森结（QMJJs）’的研究中，我们用量子材料势垒取代了JJs中的经典势垒材料，量子材料的固有属性以新的方式调节两个超导体之间的耦合。约瑟夫森二极管就是一个例子：我们使用量子材料Nb₃Br₈作为我们选择的量子材料屏障，并将其置于两个超导体之间。Nb₃Br₈是一种类似石墨烯的二维材料，理论上认为它承载着一个净电偶极子。我们只剥离了这个Nb₃Br₈的几个原子层，制作了一个非常非常薄的三明治结构，这是制作约瑟夫森二极管所需要的，而普通3D材料是不可能实现的。Nb₃Br₈是我们的合作者、泰勒尔·麦奎恩教授和他在约翰霍普金斯大学的团队正在开发的一组新量子材料的一部分，是美国第一次实现约瑟夫森二极管的关键部件。

3.就影响和应用而言，这一发现意味着什么？

Ali：许多技术都是基于JJ超导体的旧版本，例如MRI技术；今天的量子计算是基于约瑟夫森结。以前只可能使用半导体的技术，现在有可能使用这种构造块的超导体来制造。如果20世纪是半导体的世纪，那么21世纪可以成为超导体的世纪。在商业应用中，我们的第一个研究方向是提高工作温度。在这里，我们使用了一种非常简单的超导体，限制了工作温度。现在我们想研究高温超导体，看看我们能否在77K以上的温度下操作约瑟夫森二极管，因为这涉及到液氮冷却的问题。第二个研究方向是如何扩大生产规模，我们将研究如何在芯片上大规模生产数百万个约瑟夫森二极管。

4.你对研究结果的准确性有多大把握呢？

Ali：为了确保结果的可重复性，我们用不同批次的材料制造了许多器件，并且在不同国家的不同机器上由不同的人测量，最终得到的结果都是相似的。这意味着，约瑟夫森二极管结果出自我们的材料组合，而不是污垢、几何形状、机器或用户错误或解释的虚假结果。我们还进行了“冒烟枪”实验，降低了其它解释的可能性。为了确保超导二极管效应，我们尝试了开关二极管，在正向和反向施加了相同大小的电流，结果表明我们在一个方向上没有测量到电阻（超导性），但是在另一个方向上测量到真实电阻（正常导电性）；我们在施加不同大小的磁场时也测量了这种效应，这种效应在没有外加磁场为零情况下仍然明显存在，这也是我们声称在没有外加磁场下具有超导二极管效应的证据。由于纳米级的磁场电子秤很难控制，因此在实际应用中，需要在没有局部磁场的情况下运行。

5月18日至19日，Ali 教授及其合作者 Valla Fatemi 教授（康奈尔大学）和Heng Wu博士（杜德尔夫特）将在虚拟科学论坛上举办一场“超导二极管效应研讨会 (https://virtualscienceforum.org/josephson-diode/)”，届时，该领域的12名国际专家将就该领域的现状以及未来的研究和发展方向做录音报告。

正如Ali 所言：21世纪可以成为超导体的世纪。Ali 研究团队的这一发现，为超导计算铺平了道路，将是集中式计算和超级计算变革的开端。