麻省理工学院开发出纳米矩形超导二极管 大幅削减计算能耗

麻省理工学院的一个科学家小组与他们的同事一起开发出了一种简单的超导设备，它可以比现在更有效地通过电子设备传输电流。因此，这种新型二极管（一种开关）可以大大降低大功率计算系统的能耗。这是一个紧迫的问题，预计在未来会变得更加重要。尽管还处于早期开发阶段，但这种二极管的能效是其他类似产品的两倍多。它甚至可以成为新兴量子计算技术不可或缺的一部分。

麻省理工学院的科学家及其同事创造了一种简单的超导设备，它可以比现在更有效地通过电子设备传输电流。因此，这种新型二极管（一种开关）可以大幅减少大功率计算系统的能耗，而这一重大问题估计会变得更加严重。尽管还处于早期开发阶段，但这种二极管的效率是其他类似产品的两倍多。它甚至可以成为新兴量子计算技术的组成部分。

《物理评论快报》（Physical Review Letters）7 月 13 日在线版报道了这项工作，《物理杂志》（Physics Magazine）也对其进行了报道。

德国马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所所长菲利普-莫尔（Philip Moll）说："这篇论文表明，从工程学的角度来看，超导二极管完全是一个已经解决的问题。这项工作的美妙之处在于，穆德拉及其同事甚至没有尝试就获得了创纪录的效率，而且他们的结构还远远没有达到最优化。"

"我们对超导二极管效应的工程设计是稳健的，可以在简单系统中的宽温度范围内运行，并有可能为新型技术打开大门，"当前工作的领导者、麻省理工学院物理系高级研究科学家 贾格迪什·穆德拉（Jagadeesh Moodera）说。穆德拉还隶属于材料研究实验室、弗朗西斯-比特磁实验室和等离子体科学与聚变中心 (PSFC)。

这种纳米级矩形二极管比人的头发直径还要细约 1000 倍，很容易扩展。在一块硅晶片上可以生产数百万个。

麻省理工学院高级研究科学家 Jagadeesh Moodera 站在用于制造超薄薄膜的定制系统前。他的研究工作包括：能产生无电阻、自旋极化电流的设备；在单分子水平上实现记忆存储；以及寻找量子计算所需的难以捉摸的马约拉纳费米子。资料来源：Denis Paiste

二极管是一种能让电流轻松单向传输但不能反向传输的器件，在计算系统中无处不在。现代半导体计算机芯片包含数十亿个被称为晶体管的二极管状器件。然而，这些器件会因电阻而变得非常热，需要大量能源来冷却包括云计算在内的无数现代技术背后数据中心的大功率系统。根据《自然》杂志 2018 年的一篇新闻特写，这些系统可能在十年内耗费全球近 20% 的电力。

因此，制造超导体二极管的工作一直是凝聚态物理学的热门话题。这是因为超导体在一定的低温（临界温度）以下传输电流时完全没有电阻，因此比其半导体同类元件效率高得多，后者会以热量的形式造成明显的能量损失。

然而，到目前为止，解决这一问题的其他方法涉及的物理学问题要复杂得多。"我们发现的效果部分是由于超导体无处不在的特性，这种特性可以通过非常简单、直接的方式实现。"

马克斯-普朗克物质结构与动力学研究所的莫尔说："这项工作是对目前将超导二极管与有限动量配对状态等奇异物理联系起来的一种重要反驳。而实际上，超导二极管是存在于经典材料中的一种普遍而广泛的现象，是某些对称性被破坏的结果。

2020 年，穆德拉及其同事观测到了一种被称为马约拉纳费米子的奇异粒子对的证据。这些粒子对可能会产生新的拓扑量子比特家族，即量子计算机的构件。在思考制造超导二极管的方法时，研究小组意识到，他们为马约拉纳工作开发的材料平台也可能适用于二极管问题。

他们的想法是正确的。利用这个通用平台，他们开发出了不同迭代的超导二极管，每一个都比上一个更高效。例如，第一个超导二极管由一层纳米级的超导体钒组成，钒被图案化为电子学中常见的结构（霍尔条）。当他们施加与地球磁场相当的微小磁场时，他们看到了二极管效应--电流流动的巨大极性依赖性。

然后，他们又制造了另一个二极管，这次是将超导体与铁磁体（在他们的研究中是铁磁绝缘体）分层，铁磁绝缘体是一种能产生自身微小磁场的材料。在施加微小的磁场对铁磁体进行磁化，使其产生自己的磁场后，他们发现了一个更大的二极管效应，这种效应即使在原始磁场关闭后也能保持稳定。

除了以无阻力方式传输电流外，超导体还具有其他一些不太为人所知但却无处不在的特性。例如，它们不喜欢磁场进入内部。当暴露在微小的磁场中时，超导体会产生内部超电流，诱发自身的磁通量，抵消外部磁场，从而保持超导状态。这种现象被称为迈斯纳筛选效应，可以认为它类似于我们身体的免疫系统释放抗体来抵抗细菌和其他病原体的感染。然而，这只能在一定限度内起作用。同样，超导体也无法完全阻挡大磁场。

研究小组创建的二极管利用了这种普遍的迈斯纳屏蔽效应。他们直接或通过邻近的铁磁层施加的微小磁场激活了材料的屏蔽电流机制，从而驱除外部磁场并保持超导性。

研究小组还发现，优化这些超导二极管的另一个关键因素是二极管器件两侧或边缘之间的微小差异。这些差异"在磁场进入超导体的方式上产生了某种不对称"。

通过在二极管上设计自己的边缘形式来优化这些差异--例如，一个边缘具有锯齿特征，而另一个边缘没有刻意改变--研究小组发现，他们可以将效率从 20% 提高到 50% 以上。这一发现为"调整"边缘以实现更高效率的设备打开了大门，穆德拉说。

总之，研究小组发现，超导二极管的边缘不对称、所有超导体中无处不在的迈斯纳筛选效应以及超导体的第三个特性--涡旋针销--共同产生了二极管效应。

论文第一作者、弗朗西斯-比特磁实验室（Francis Bitter Magnet Laboratory）和 PSFC 的博士后侯亚森（Yasen Hou）说："在观察二极管效应的过程中，看到不起眼但无处不在的因素是如何产生重大影响的，这令人着迷。更令人兴奋的是，[这项工作]提供了一种直接的方法，具有进一步提高效率的巨大潜力"。

Christoph Strunk 是德国雷根斯堡大学的教授，他说："目前的工作表明，简单超导带中的超电流可以变成非互易的。此外，当与铁磁绝缘体结合时，甚至可以在没有外部磁场的情况下保持二极管效应。整流方向可以通过磁层的剩磁来编程，这可能在未来的应用中具有很大的潜力。无论是从基础研究还是从应用的角度来看，这项工作都是非常重要和有吸引力的。"