高溫超導二極管已經(jīng)實現(xiàn)？制造超導二極管有多難！

作者 | 羅會仟 中國科學院物理研究所

最近，有科學報道稱實現(xiàn)了世界上首個有希望的高溫超導二極管。究竟什么是二極管？為什么要用高溫超導體來做二極管？它的出現(xiàn)會為我們世界帶來什么樣的變化？今天我們一起聊聊高溫超導二極管的故事。

說到二極管，大家心目中最先想到的就是半導體了。的確，現(xiàn)代計算機的核心就是它的半導體芯片，芯片的關鍵在于大規(guī)模的集成電路，集成電路中最小的單元，就叫做二極管。因為二極管是電子公路的“單行道”，通過控制二極管的“通”與“不通”，就能定義二進制里的“1”和“0”，這是一切邏輯運算的基石。

半導體二極管的原理示意圖

半導體二極管為什么能實現(xiàn)電子“單行道”呢？因為它由兩種不同的半導體組合而成，一種是以帶正電的空穴作為載流子的半導體，叫做P型半導體；另一種是以帶負電的電子作為載流子的半導體，叫做N型半導體，它們一起構成的結(jié)構叫做“半導體PN結(jié)”。我們給這個PN結(jié)加正向電壓，那么空穴載流子和電子載流子就會同時向結(jié)區(qū)移動，讓結(jié)區(qū)越來越小，實現(xiàn)導通；如果加反向電壓，那么空穴載流子和電子載流子朝反向移動，結(jié)果就是結(jié)區(qū)越來越大，電流不導通了。所以二極管最大的特點，就是只允許載流子單向?qū)?，就像一個小小的開關一樣，一旦電壓反向，開關就自動斷開。

當然，集成電路里二極管已經(jīng)無法用肉眼直接看清楚啦。如果你家里還有半導體收音機，你可以打開看到里面的電路板，上面就有插著的二極管。只是，半導體二極管雖然很方便，但畢竟是半導體，有著很大的電阻，所以即便在導通的時候，也要面臨發(fā)熱等能量耗散問題。這個時候，你就要關心電腦的CPU溫度了，是不是溫度太高了，電腦就變慢啦？

有沒有辦法盡可能降低計算機的能耗問題呢？其中一個可能的答案就是，用超導體來做計算機。注意，這里的超導計算機，并不是大家常說的超導量子計算機，而是和半導體計算機類似的基于數(shù)字邏輯電路的計算機。以超導計算機、超導集成電路等為目標的技術叫做“超導電子學”，其基石就是超導二極管。

超導體在特定溫度下電阻會降為零，這個低溫即是它的應用劣勢，也是它的優(yōu)勢。因為在足夠低溫度下，能量耗散會大幅降低，電子器件的穩(wěn)定性會大大提升，而且零電阻就意味著不發(fā)熱，完美把電腦CPU“燙手”的問題解決了。但是等等，超導體電阻為零，似乎把兩塊超導體拼一塊兒，不就短路了嗎？電流都暢通無阻了，還談什么二極管效應？

別急，科學家們有辦法。為了說清楚超導二極管的原理，我們先要講一個超導體的特殊效應——約瑟夫森效應。約瑟夫森是一位英國的科學家，在他二十幾歲還在讀研究生的時候，就提出了超導體的隧道效應。你把兩塊超導體拼在一起，中間有個很薄的絕緣體或金屬夾層，在不加電壓的情況下，就會發(fā)現(xiàn)這個結(jié)構存在隧道電流——電子從一塊超導體跑到另一塊超導體里面去了！如果你加上電壓，就會發(fā)現(xiàn)隧道電流還存在強度調(diào)制，類似光的夫瑯禾費干涉一樣，電流大小隨電壓振蕩了起來！這個振蕩對外磁場的響應還極其敏感。

超導體的約瑟夫森效應

確切來說，超導隧道效應是超導體內(nèi)部庫伯電子對的相位干涉造成的結(jié)果。承載超導體電流的是一對對電子，叫做“庫伯對”，對于同一塊超導體而言，所有庫伯對的相位都是一樣的，它們以相同的節(jié)奏運動。但是一旦隧穿到另一個超導體，就會遇到另外一群相位不一樣的庫伯對，于是兩者之間就發(fā)生了“群毆”效應，在相位干涉下形成了強弱變化的隧穿電流。

早在2007年，科學家就從理論上提出了利用約瑟夫森效應來構造超導二極管的方案。超導體也同樣具有空穴型和電子型兩類，把它們拼在一起，也能構造類似PN結(jié)的結(jié)構。當電流正常傳導時，表現(xiàn)出無耗散的超導電流，也就是沒有電阻；當電流反向傳導時，則表現(xiàn)出有耗散的普通電流，也就是存在電阻。超導二極管還可以細分為兩類，一類是需要依賴電壓的歷史和電荷積累才能實現(xiàn)；另一類是可能需要依賴加磁場才能實現(xiàn)。不同類型的超導二極管，有多種可能的實現(xiàn)方案。

超導二極管說起來容易，做起來難！直到2020年，日本京都大學的科學家才在超晶格超導體中通過外加磁場首次實現(xiàn)超導二極管現(xiàn)象。2022年，荷蘭代爾夫特理工大學的科學家首次實現(xiàn)了無外場的約瑟夫森二極管效應。但是，因為他們采用的傳統(tǒng)超導體臨界溫度太低，超導二極管工作溫度都太低了，大約是0.02 K（-273.13℃）左右。必須采用昂貴的稀釋制冷機才能用，大規(guī)模應用很難實現(xiàn)。

2023年，美國哈佛大學和中國清華大學的研究人員采用了相同的實驗方案，把兩個具有單層結(jié)構單元的銅氧化物高溫超導體拼在一起，互相轉(zhuǎn)動了45°左右的角度，成功觀測到了二極管效應。這里采用的高溫超導材料的臨界溫度在80 K（-193.13℃）左右，最大隧道電流出現(xiàn)在30 K（-243.13℃）左右，極大提升了超導二極管的使用溫度。超導二極管的應用展露了新的希望！

高溫超導二極管的實物圖

基于超導二極管等元器件的超導集成電路，其加工工藝和半導體電路是幾乎兼容的，一旦可以實用化，可以極快地推動產(chǎn)業(yè)革命。相比半導體集成電路，超導集成電路的運行速率從GHz提升到了百GHz，運行功耗從10-14W降低到了10-19W。未來，超導數(shù)字計算機如果實現(xiàn)，將搭建出不同于超導量子計算機另一條高性能、低能耗的超級計算之路！

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者名稱：羅會仟

審核：張雙南 中國科學院高能物理研究所 研究員

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司