“不可能”超导体的发现有望使电子产品的速度提高100倍

原子核外是带负电的粒子，称为电子，可以从一个原子流到另一个原子，这种运动就是电。

在某些材料中，电子与原子核紧密结合，不容易流动——这些材料是绝缘体。在其他原子中，如铜和银，电子的束缚很松，可以很容易地从一个原子移动到另一个原子——这些都是导体。

半导体是介于导体和绝缘体之间的材料，硅是一种常用的半导体。

“如果20世纪是半导体的世纪，那么21世纪可以成为超导体的世纪。”

我们依靠导体和半导体来传输电能，例如，我们用铜线将电从发电厂送到家中，用硅芯片控制其在电子设备中的移动。

所有导体和半导体都至少在某种程度上抵抗电子的流动。这意味着，每次电子从一个原子移动到另一个原子时，都会有一点能量以热量的形式损失。

这些微小的能量损失累积起来：美国发电厂约5%的电力从未送到人们的家中。与此同时，在我们的设备中，过热限制了处理器的工作速度，并可能导致程序崩溃。

超导体

1911年，一位荷兰物理学家发现，在适当的情况下，一些材料在电子从一个原子移动到另一个原子时不会失去任何能量。这些被称为超导体，其中一个例子是铝冷却到-271摄氏度（-457华氏度）。

如果我们可以用超导体代替导体或半导体，我们的电子设备速度可以提高数百倍，而不会因过热而浪费能源，我们每年可以节省数十亿美元的电力传输损失。

超导体的电子从一个原子移动到另一个原子时不会损失任何能量。

然而，一个主要问题是，通过超导体的电流在两个方向上都没有阻力。

对于大多数应用来说，我们需要能够将电流沿一个方向从a点移动到B点。例如，在20世纪70年代，IBM的研究人员确定，除非有人发现了单向超导性，否则我们永远无法在计算机中使用超导体。

利用磁场引导电流通过超导体是可能的，但在纳米尺度上很难控制。这大大限制了超导体的应用——今天，它们主要用于MRI机器和磁悬浮列车。

发现

德尔夫特大学的研究人员现在已经完成了看似不可能的任务，即在不使用磁铁的情况下，让电流沿一个方向流过超导体。他们称之为“约瑟夫森二极管”

关键的设计是使用二维材料层，即只有一个原子厚，具有内置电磁场。然后将这种材料（称为Nb3Br8）夹在超导体（称为NbSe2）的2D层之间。

“以前只能使用半导体的技术现在有可能用超导体制造。”

当电流施加到这个三明治上时，电子在一个方向上流动时不会遇到电阻，但在相反的方向上，它们会遇到更多的电阻，大约和正常导体一样大。

研究人员还不确定他们的二极管是如何工作的——“人们有一个粗略的想法，但严格的理论还不存在。”

阿里说：“以前只可能使用半导体的技术，现在有可能使用这种积木来制造超导体。这包括速度更快的计算机，例如速度高达太赫兹的计算机，比我们现在使用的计算机快300到400倍。”

接下来的步骤

无磁体的单向超导体是一项重大突破，但在其发现能够在实验室外发挥作用之前，图代尔夫特团队仍有许多障碍需要克服。

一个是温度——约瑟夫森二极管目前必须在-271 C（-455.8 F）的温度下工作，这对于大多数应用来说并不实用。

现在的计划是用已知能在更高温度下工作的超导材料进行实验——如果二极管能在-196 C（-321 F）或更高温度下工作，冷却可以通过液氮来处理，液氮已经用于数据中心的热量管理。

另一个障碍是如何扩大生产。

阿里说：“虽然我们在纳米设备上证明了这一点很好，但我们只制造了少数产品。”。“下一步将是研究如何在芯片上大规模生产数百万个约瑟夫森二极管。”

约瑟夫森二极管的创造者（从左到右）：王耀佳、阿里和吴恒。信用：TU Delft

我们无法在短期内将手机和笔记本电脑中的芯片温度保持在零下数百度。但是，如果图代尔夫特团队能够克服这些剩余的挑战，阿里认为二极管将用于已经安装了先进冷却系统的地方，例如超级计算机设施。

它们也可以用于服务器场，随着越来越多的计算在云中进行，有一天每个人都可以通过互联网利用超导计算机的能力。