最近，有科學(xué)報(bào)道稱(chēng)實(shí)現(xiàn)了世界上首個(gè)有希望的高溫超導(dǎo)二極管。究竟什么是二極管？為什么要用高溫超導(dǎo)體來(lái)做二極管？它的出現(xiàn)會(huì)為世界帶來(lái)什么樣的變化？

說(shuō)到二極管，大家心目中最先想到的可能是半導(dǎo)體。的確，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的核心就是它的半導(dǎo)體芯片，芯片的關(guān)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?yàn)槎�極管是電子公路的“單行道”，通過(guò)控制二極管的“通”與“不通”，就能定義二進(jìn)制里的“1”和“0”，這是一切邏輯運(yùn)算的基石。

半導(dǎo)體二極管為什么能實(shí)現(xiàn)電子“單行道”呢？因?yàn)樗�由兩種不同的半導(dǎo)體組合而成，一種是以帶正電的空穴作為載流子的半導(dǎo)體，叫做P型半導(dǎo)體；另一種是以帶負(fù)電的電子作為載流子的半導(dǎo)體，叫做N型半導(dǎo)體，它們一起構(gòu)成的結(jié)構(gòu)叫做“半導(dǎo)體PN結(jié)”。我們給這個(gè)PN結(jié)加正向電壓，那么空穴載流子和電子載流子就會(huì)同時(shí)向結(jié)區(qū)移動(dòng)，讓結(jié)區(qū)越來(lái)越小，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)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(dòng)，結(jié)果就是結(jié)區(qū)越來(lái)越大，電流不導(dǎo)通了。所以二極管最大的特點(diǎn)，就是只允許載流子單向?qū)�通，就像一個(gè)小小的開(kāi)關(guān)一樣，一旦電壓反向，開(kāi)關(guān)就自動(dòng)斷開(kāi)。

當(dāng)然，集成電路里二極管已經(jīng)無(wú)法用肉眼直接看清楚了。如果你家里還有半導(dǎo)體收音機(jī)，你可以打開(kāi)看到里面的電路板，上面就有插著的二極管。只是，半導(dǎo)體二極管雖然很方便，但畢竟是半導(dǎo)體，有著很大的電阻，所以即便在導(dǎo)通的時(shí)候，也要面臨發(fā)熱等能量耗散問(wèn)題。這個(gè)時(shí)候，你就要關(guān)心電腦的CPU溫度，是不是溫度太高，電腦就變慢了？

有沒(méi)有辦法盡可能降低計(jì)算機(jī)的能耗問(wèn)題？其中一個(gè)可能的答案就是，用超導(dǎo)體來(lái)做計(jì)算機(jī)。注意，這里的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，并不是大家常說(shuō)的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，而是和半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)類(lèi)似的基于數(shù)字邏輯電路的計(jì)算機(jī)。以超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)集成電路等為目標(biāo)的技術(shù)叫做“超導(dǎo)電子學(xué)”，其基石就是超導(dǎo)二極管。

超導(dǎo)體在特定溫度下電阻會(huì)降為零，這個(gè)低溫既是它的應(yīng)用劣勢(shì)，也是它的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樵谧銐虻偷臏囟认�，能量耗散�?huì)大幅降低，電子器件的穩(wěn)定性會(huì)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(wèn)題解決了。但是超導(dǎo)體電阻為零，那么把兩塊超導(dǎo)體拼一塊，不就短路了嗎？電流都暢通無(wú)阻了，還談什么二極管效應(yīng)？

別急，科學(xué)家們有辦法。為了說(shuō)清楚超導(dǎo)二極管的原理，我們先要講一個(gè)超導(dǎo)體的特殊效應(yīng)——約瑟夫森效應(yīng)。約瑟夫森是一位英國(guó)的科學(xué)家，在他二十幾歲讀研究生的時(shí)候，就提出了超導(dǎo)體的隧道效應(yīng)。你把兩塊超導(dǎo)體拼在一起，中間有個(gè)很薄的絕緣體或金屬夾層，在不加電壓的情況下，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)結(jié)構(gòu)存在隧道電流——電子從一塊超導(dǎo)體跑到另一塊超導(dǎo)體里面去了。如果你加上電壓，就會(huì)發(fā)現(xiàn)隧道電流還存在強(qiáng)度調(diào)制，電流大小隨電壓振蕩，這個(gè)振蕩對(duì)外磁場(chǎng)的響應(yīng)極其敏感。

確切來(lái)說(shuō)，超導(dǎo)隧道效應(yīng)是超導(dǎo)體內(nèi)部庫(kù)伯電子對(duì)的相位干涉造成的結(jié)果。承載超導(dǎo)體電流的是一對(duì)對(duì)電子，叫做“庫(kù)伯對(duì)”，對(duì)于同一塊超導(dǎo)體而言，所有庫(kù)伯對(duì)的相位都是一樣的，它們以相同的節(jié)奏運(yùn)動(dòng)。但是一旦隧穿到另一個(gè)超導(dǎo)體，就會(huì)遇到另外一群相位不一樣的庫(kù)伯對(duì)，于是兩者之間就發(fā)生了“群毆”效應(yīng)，在相位干涉下形成了強(qiáng)弱變化的隧穿電流。

早在2007年，科學(xué)家就從理論上提出了利用約瑟夫森效應(yīng)來(lái)構(gòu)造超導(dǎo)二極管的方案。超導(dǎo)體也同樣具有空穴型和電子型兩類(lèi)，把它們拼在一起，也能構(gòu)造類(lèi)似PN結(jié)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)電流正常傳導(dǎo)時(shí)，表現(xiàn)出無(wú)耗散的超導(dǎo)電流，也就是沒(méi)有電阻；當(dāng)電流反向傳導(dǎo)時(shí)，則表現(xiàn)出有耗散的普通電流，也就是存在電阻。超導(dǎo)二極管還可以細(xì)分為兩類(lèi)，一類(lèi)需要依賴(lài)電壓的歷史和電荷積累才能實(shí)現(xiàn)；另一類(lèi)可能需要依賴(lài)加磁場(chǎng)才能實(shí)現(xiàn)。不同類(lèi)型的超導(dǎo)二極管，有多種可能的實(shí)現(xiàn)方案。

超導(dǎo)二極管說(shuō)起來(lái)容易，做起來(lái)難。直到2020年，日本京都大學(xué)的科學(xué)家才在超晶格超導(dǎo)體中通過(guò)外加磁場(chǎng)首次實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)二極管現(xiàn)象。2022年，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了無(wú)外場(chǎng)的約瑟夫森二極管效應(yīng)。但是，因?yàn)樗麄儾捎玫膫鹘y(tǒng)超導(dǎo)體臨界溫度太低，超導(dǎo)二極管工作溫度都太低了，大約是0.02K（-273.13℃）左右，必須采用昂貴的稀釋制冷機(jī)才能用，大規(guī)模應(yīng)用很難實(shí)現(xiàn)。

2023年，美國(guó)哈佛大學(xué)和中國(guó)清華大學(xué)的研究人員采用了相同的實(shí)驗(yàn)方案，把兩個(gè)具有單層結(jié)構(gòu)單元的銅氧化物高溫超導(dǎo)體拼在一起，互相轉(zhuǎn)動(dòng)了45°左右的角度，成功觀測(cè)到了二極管效應(yīng)。這里采用的高溫超導(dǎo)材料的臨界溫度在80K（-193.13℃）左右，最大隧道電流出現(xiàn)在30K（-243.13℃）左右，極大提升了超導(dǎo)二極管的使用溫度。超導(dǎo)二極管的應(yīng)用展露了新的希望。

基于超導(dǎo)二極管等元器件的超導(dǎo)集成電路，其加工工藝和半導(dǎo)體電路是幾乎兼容的，一旦實(shí)用化，可以極快地推動(dòng)產(chǎn)業(yè)革命。相比半導(dǎo)體集成電路，超導(dǎo)集成電路的運(yùn)行速率從GHz提升到了百GHz，運(yùn)行功耗從10-14W降低到了10-19W。未來(lái)，超導(dǎo)數(shù)字計(jì)算機(jī)如果實(shí)現(xiàn)，將搭建出不同于超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的另一條高性能、低能耗的超級(jí)計(jì)算之路。

作者：中國(guó)科學(xué)院物理研究所羅會(huì)仟

審核：中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員張雙南 

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