高效超導(dǎo)二極管可能永遠改變芯片

隨著超導(dǎo)體風(fēng)靡一時，很多其他方面的故事開始被忽視。但科學(xué)無處不在、無時無刻：現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院 (MIT) 的一個研究小組開發(fā)出了一種超導(dǎo)裝置，他們稱這種裝置將提高電子產(chǎn)品的能量和熱效率。

與 LK-99 一樣，麻省理工學(xué)院設(shè)計的二極管（一種開關(guān)器件）仍處于設(shè)計初期。但即便如此，Jagadeesh Moodera（主要作者）等人表示，在承載電流（并防止損耗）方面，該二極管的效率已經(jīng)是以前二極管架構(gòu)的兩倍，并且還留有足夠的設(shè)計空間來改進其特性。

它甚至可能影響量子計算。事實上，這一進展是團隊研究 Majorana 費米子時的一個偶然發(fā)現(xiàn)，Majorana 費米子是拓撲量子位的構(gòu)建模塊之一，這是一種尚未得到證實的量子位設(shè)計，微軟一直在追求這種設(shè)計。該團隊很快意識到他們受馬約拉納啟發(fā)的超導(dǎo)二極管工作可以很容易地轉(zhuǎn)移到經(jīng)典（即非量子）電路領(lǐng)域。

麻省理工學(xué)院設(shè)計的二極管（橫向切割）在上述設(shè)計中，麻省理工學(xué)院的二極管由超導(dǎo)薄膜（灰色）頂部的鐵磁條（粉色）組成。研究小組還確定了產(chǎn)生的電流僅沿一個方向傳播且沒有阻力的關(guān)鍵因素。（來源：麻省理工學(xué)院）

半導(dǎo)體二極管沿一個方向傳導(dǎo)電流，但不沿另一個方向傳導(dǎo)電流，這使它們在電子領(lǐng)域具有多種應(yīng)用。它們的單向特性是由于兩種電荷載流子（電子和空穴）的導(dǎo)電行為的差異而成為可能的。超導(dǎo)二極管也可用于傳感器和其他設(shè)備。但由于超電流只有一種類型的載流子——所謂的庫珀對中的電子，因此實現(xiàn)超導(dǎo)二極管更加困難。2020 年，研究人員在由層狀材料制成的超導(dǎo)器件中展示了二極管效應(yīng)，該器件需要精確堆疊、強自旋軌道耦合和獨特形式的庫珀配對。如今，麻省理工學(xué)院的 Jagadeesh Moodera 和合作者已經(jīng)制造出了一種更有效、設(shè)計更簡單且不受深奧電子效應(yīng)影響的超導(dǎo)二極管。

該團隊的二極管設(shè)計由鈮或釩的薄帶組成。與大多數(shù)單元素超導(dǎo)體不同，鈮和釩都是 II 型超導(dǎo)體，這意味著施加適當(dāng)強度的磁場會引起超電流渦流的形成，所有渦流都以相同的方向旋轉(zhuǎn)。Moodera 及其同事應(yīng)用了一個垂直于其設(shè)備表面的場，在帶內(nèi)產(chǎn)生渦流，以及沿著帶邊緣的超電流（稱為邁斯納電流）。從頂部看，一個邊緣電流向正向流動，另一個邊緣電流向反向流動。然后，研究人員在帶材兩端正向和反向發(fā)送外部電流，并測量每種情況的凈電流。

原則上，反向傳播的邊緣電流是相等的，因此它們對凈電流的貢獻應(yīng)該抵消。但在實踐中，制造條帶不可避免地會導(dǎo)致兩個邊緣之間的結(jié)構(gòu)差異。麻省理工學(xué)院的團隊發(fā)現(xiàn)，這種意外的不對稱性足夠大，足以導(dǎo)致二極管效率達到 20%——定義為正向和反向凈電流之間的差值除以總和。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過在其中一個邊緣故意添加凹口，他們可以將二極管效率提高到 50%。但他們通過用鐵磁絕緣體硫化銪覆蓋層的固有磁場取代所施加的磁場，獲得了 65% 的效率，這是迄今為止所看到的最大值。

實際上，研究團隊已經(jīng)證明，普通超導(dǎo)體中存在巨大的二極管效應(yīng)，這是由于簡單的幾何對稱性被破壞而產(chǎn)生的。Moodera 說，這種超導(dǎo)二極管可以立即用于超導(dǎo)電子學(xué)，并在未來用于超導(dǎo)或拓撲量子比特電路。

菲利普·莫爾在德國馬克斯·普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動力學(xué)研究所研究量子材料。他指出，在單元超導(dǎo)體中觀察到大二極管效應(yīng)具有重要意義，因為它們的簡單性將使應(yīng)用更容易、更可擴展。

二極管是所有芯片的關(guān)鍵組成部分，也是電路設(shè)計不可或缺的一部分。晶體管用于將輸入信號從芯片內(nèi)的低電阻電路放大到高電阻電路，而二極管通常負責(zé)將交流電 (AC) 轉(zhuǎn)換為直流電 (DC)。

由于芯片設(shè)計受到電損耗產(chǎn)生的熱量的嚴格限制（越來越復(fù)雜的晶體管設(shè)計和新的冷卻技術(shù)以有限的方式處理這些問題，這是一個瓶頸），無損二極管在改善計算和散熱方面的優(yōu)勢效率不容低估。

制造超高效二極管需要具備超導(dǎo)體的所有特征。麻省理工學(xué)院的研究團隊表明，可以優(yōu)化二極管器件邊緣之間的微小差異（通過添加鋸齒狀邊緣或應(yīng)用其他變形）。這就是為什么設(shè)計仍然可以進行優(yōu)化：可能的設(shè)計變化數(shù)量是巨大的，而且只有這么多時間來找到最佳的不對稱配置。

這種設(shè)計怪癖表明，即使材料的微小差異也可能導(dǎo)致不成比例的結(jié)果。這些二極管還具有超導(dǎo)特征，例如邁斯納效應(yīng)和鎖定預(yù)先存在的磁場的能力（稱為磁通釘扎）。

Philip Moll（德國馬克斯·普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動力學(xué)研究所所長，未參與這項研究）在接受《科學(xué)日報》采訪時表示，麻省理工學(xué)院團隊的論文展示了超導(dǎo)二極管現(xiàn)在如何成為「從工程角度完全解決的問題」」。他還補充說，該設(shè)計所展示的效率記錄「甚至沒有嘗試」就達到了，結(jié)構(gòu)「還遠未優(yōu)化」。這聽起來像是非?！嘎斆鳌梗ūM管仍然很難）的科學(xué)。

至關(guān)重要的是，該團隊表示其超導(dǎo)二極管非常堅固，能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，同時有可能為新技術(shù)和設(shè)計打開大門。工程師們表示，這些二極管的設(shè)計非常簡單且足夠兼容，因此可以輕松擴展，這為這一發(fā)現(xiàn)增添了相關(guān)性——可以在單個硅晶圓上生產(chǎn)數(shù)百萬個二極管。