研究人员打造用于无耗散电子器件的超导二极管

Sketch of STM-based Josephson junction including a single atom. Inset, STM topography of a Pb(111) surface with individual Pb, Mn and Cr adatoms (coloured circles); scanning parameters: 50 mV, 50 pA. Scale bar, 3 nm.

二极管是现代电子产品中最常见的部件之一，二极管的最基本特性是只有一个方向流动电流，最典型的电路就是整流电路。长期以来，科学家们一直在寻求制造超导二极管，以帮助制造更快、消耗更少能量的计算机。现在，一项新的研究揭示了使用单个磁原子制造的尽可能小的超导二极管，这可能有助于开创超导电子的新时代。

尽管普通的导电体都在一定程度上抵抗电子流，但超导体导电时没有任何电阻。这表明，使用二极管等超导元件制造的计算机在速度和功率方面都比普通计算机高效得多。目前已知超导体只能在极冷或极压下工作，这排除了它们在个人计算机中使用的可能性，但科学家们表示，超导电子器件仍可能在超级计算机或服务器场等集中式设施中使用。

在过去五年左右的时间里，研究人员创造了第一个超导二极管。然而，这些要么依赖于向器件施加磁场，要么依赖于在器件内增加磁性层。柏林自由大学的实验物理学家、该研究的资深作者Katharina Franke说：“第一种方法与更大的架构不兼容，在这种架构中，每个二极管都需要单独处理。第二种方法需要复杂的材料设计。

现在，Franke和她的同事们已经制造出了超导二极管，它只由一个超导体和上面的一个磁原子组成。“因此，这是一个简单的设备，可以通过选择磁原子进行简单的控制，”她说。

在这项新的研究中，研究人员对约瑟夫结(Josephson junctions)进行了实验，每个约瑟夫结都由夹在两个超导层之间的一层非常薄的绝缘膜组成。这些设备有助于构成被称为超导量子干涉设备（superconducting quantum-interference devices,SQUID）的非常灵敏的磁传感器。它们也是基于超导体的量子计算机的关键，IBM和谷歌正在建造这些计算机，希望有一天它们能从根本上胜过普通计算机。

研究人员首先在超导铅晶体上沉积了铅、铬或锰的单个磁性原子。接下来，他们将扫描隧道显微镜的超导铅尖端放置在这些原子的顶部。该研究的主要作者、柏林自由大学的实验物理学家Martina Trahms和她的同事发现，他们可以在这些原子级约瑟夫结中产生二极管效应。此外，他们可以根据夹在超导体之间的原子来控制这种效应的强度和方向。铅原子没有表现出二极管效应，而铬和锰原子表现出二极管作用，尽管电流以相反的方向流过它们。

研究合著者、柏林自由大学理论物理学家Felix von Oppen及其同事的一个理论模型揭示了准粒子的电流有助于解释这种二极管机制。研究人员认为，这可能会带来制造原子级超导二极管的新方法。

Franke补充道：“超导二极管可能在未来的某个时候被集成到量子计算机的构建中。”她解释说，具体来说，它们可以作为量子计算机关键组件（量子位）之间的可控连接，也可以最大限度地减少量子位之间的破坏性相互作用。

3月8日，科学家们在《自然》杂志在线详细介绍了他们的发现。