六十年理论终成现实：芬兰团队实现首个完全超导磁性开关

一项持续近六十年的科学挑战终于迎来突破。芬兰于韦斯屈莱大学领导的国际研究团队成功实现了世界首个能够完全抑制超导性的德·热纳超导开关，这一成果不仅验证了1966年诺贝尔奖得主皮埃尔-吉尔斯·德·热纳提出的理论预言，更为下一代超导电子设备和量子计算技术开辟了崭新路径。

这项发表在《自然通讯》期刊上的研究突破了传统超导开关只能部分调控超导性的技术瓶颈，实现了超导态的绝对开启和关闭。研究团队通过精心设计的硫化铕-金-铌三层结构，成功构建了一个能够通过磁场完全控制超导电流的开关器件，为开发非易失性超导随机存取存储器和超低功耗电子设备奠定了重要基础。

理论预言与现实挑战的历史交汇

研究人员最近实现了首个德·热纳超导开关，其中超导性被完全抑制。图片来源：于韦斯屈莱大学

1966年，后来荣获诺贝尔物理学奖的法国理论物理学家德·热纳提出了一个革命性的概念：在特定的磁性器件结构中，可以通过控制铁磁层的磁化方向来开启和关闭超导性。这个被称为"德·热纳超导开关"的理论设想了一种夹在两个铁磁绝缘体之间的超导体结构，其中超导性的存在与否完全取决于铁磁层磁化方向的相对排列。

按照德·热纳的理论，当两个铁磁层的磁化方向平行排列时，它们会在中间的超导体中产生强烈的净磁交换场，这种磁场会破坏超导电子对的形成，从而抑制超导性。相反，当两个铁磁层的磁化方向反向平行时，它们对超导体的磁性影响会相互抵消，超导性得以恢复。

然而，这个看似简单的理论在实践中却面临着巨大挑战。近六十年来，全球众多研究团队尝试构建各种版本的德·热纳超导开关，虽然观察到了超导临界温度对磁化方向的敏感性，但实际的控制效果远低于理论预期。大多数实验只能实现超导性的部分调控，而非完全的开启和关闭。

这种理论与实验之间的差距源于多个技术难题。首先是界面质量问题：超导体与铁磁绝缘体之间的界面往往存在缺陷，影响磁交换相互作用的强度。其次是材料选择的限制：需要找到既具有强磁性又与超导体兼容的绝缘材料。最后是结构设计的复杂性：如何优化各层的厚度和组成以实现最佳的磁场传递效果。

材料工程的精密突破

于韦斯屈莱大学博士后研究员Alberto Hijano和他的国际合作团队通过创新的材料工程方法解决了这些长期存在的技术障碍。他们选择硫化铕作为铁磁绝缘体，铌作为超导体，但关键的突破来自于在两者之间插入的超薄金层。

硫化铕的选择经过了精心考量。这种材料具有强烈的铁磁性和良好的绝缘特性，同时与铌超导体具有良好的晶格匹配性。更重要的是，硫化铕的磁各向异性使得其磁化方向可以通过外加磁场精确控制。

然而，真正的技术创新在于引入的金中间层。这个仅有几个原子厚的金层起到了关键的"磁性放大器"作用。金属金本身虽然不具备磁性，但在强磁场环境中会表现出感应磁矩效应。当金层处于硫化铕产生的强磁交换场中时，它不仅能够有效传递磁性相互作用，还能显著增强磁场在超导体中的渗透深度。

Hijano解释道："这个金中间层的作用超出了我们的预期。它不仅解决了界面兼容性问题，更重要的是大幅增强了样品中产生的近场交换场强度。这使得我们首次实现了超导性的绝对开启和关闭切换。"

通过精确控制硫化铕层的磁化方向，研究团队能够在平行和反平行磁化配置之间切换，从而完全控制铌超导体的电阻状态。在平行配置下，强烈的净磁交换场完全抑制了超导性，器件表现出正常的电阻行为。在反平行配置下，磁性效应相互抵消，超导性完全恢复，电阻降至零。

技术应用的广阔前景

这一突破的技术意义远远超出了基础科学研究的范畴。完全可控的超导开关为多个前沿技术领域开辟了新的可能性。最直接的应用是非易失性超导随机存取存储器的开发。与传统的电子存储器不同，超导存储器能够在断电后保持信息状态，同时具备超高的读写速度和几乎无限的读写寿命。

在量子计算领域，这种绝对超导开关可以用于构建更稳定的量子比特和量子门操作。超导量子计算机的核心挑战之一是如何精确控制超导回路中的量子态，德·热纳开关提供了一种全新的量子态操控手段。通过磁场控制而非电流控制，可以显著减少量子退相干效应，提高量子计算的保真度。

能耗控制是这项技术的另一个重要优势。传统的超导开关通常依赖热效应或强电流来改变超导状态，这些方法都需要持续的能量输入。而磁性开关一旦设置完成，就能在无需额外能耗的情况下保持状态，这对于开发超低功耗电子设备具有重要意义。

Hijano强调："绝对超导开关的节能潜力巨大。磁开关将消除当前热开关中存在的持续热负荷，这在大规模集成应用中可以实现显著的能耗降低。"

产业化挑战与未来展望

尽管这一基础科学突破令人振奋，但从实验室成果到实际应用仍面临诸多挑战。首先是制造工艺的复杂性。构建高质量的硫化铕-金-铌多层结构需要极其精密的薄膜沉积和图案化技术，这对大规模生产提出了严格要求。

材料稳定性是另一个关键问题。硫化铕在空气中容易氧化，需要在惰性环境中制备和封装。同时，金中间层的厚度控制精度直接影响器件性能，这要求制造工艺具有原子级的精度。

成本考量也不容忽视。目前的器件需要在液氦温度下工作以维持超导状态，这增加了系统的复杂性和运行成本。虽然高温超导材料的应用可能缓解这一问题，但需要重新优化整个器件结构。

然而，这些挑战也为进一步的研究和技术发展指明了方向。随着纳米制造技术的不断进步和新型超导材料的发现，德·热纳超导开关的实用化前景十分光明。

这项由剑桥大学、巴斯克大学和于韦斯屈莱大学合作完成的研究不仅实现了一个长期的科学目标，更为超导电子学和量子技术的发展开辟了新的道路。从德·热纳1966年的理论预言到今天的实验实现，这个跨越近六十年的科学故事展现了基础研究的持久价值和技术创新的无限可能。随着相关技术的不断完善，我们有理由期待这一突破将在未来的信息技术革命中发挥重要作用。