超导芯片的曙光！超导体也能单向导电，曾被认为不可能

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　　核心提示： 我们身处信息时代，计算能力不可或缺，但计算能耗也越来越不容忽视。既然计算芯片中不断流淌的是随时变化的电流，那我们能否用超导体制造芯片？ 撰文 | 王昱 早在1911年，荷兰物理学家卡末林·昂内斯（...

我们身处信息时代，计算能力不可或缺，但计算能耗也越来越不容忽视。既然计算芯片中不断流淌的是随时变化的电流，那我们能否用超导体制造芯片？

撰文 | 王昱

早在1911年，荷兰物理学家卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）就已经发现，当温度降低至4.2K（约-268.95℃）时，浸泡在液氦里的金属汞的电阻会消失。但直到1957年，才有了第一个能解释超导现象的理论——BCS理论。该理论由美国科学家约翰·巴丁（John Bardeen）、里昂·库伯（Leon Cooper）和约翰·施里佛（John Schrieffer）基于“波粒二象性”建立。他们认为，金属外层自由电子在有电压时，会流经晶格点阵形成电流，但通常情况下，这种晶格点阵有缺陷，会因热振动使电流产生阻碍。而在超导体中，电子会被束缚形成“库伯对”（Cooper pair），从而产生集体凝聚的波，这种波不同于自由电子，可以无阻碍地穿越晶格点阵。

既然电流在流过超导体时毫无阻碍，这意味着抑制、甚至阻断电流都几乎是不可能的——更不要说只让电流向一个方向流动了。发明单向超导体，就像发明一种特殊的冰，这种冰从一个方向向另一个方向滑动时不会产生摩擦，但在另外的方向上滑动时则会产生无法克服的摩擦。其实早在上世纪70年代，IBM公司的科学家就有了超导计算的想法，但是他们很快便不再尝试。在之后的一篇论文中，IBM提到，在没有非互易超导性（non-reciprocal superconductivity）的情况下，不可能造出超导体计算机。

对称性破缺

那如今的半导体是如何实现单向导通的特性的？

半导体可以通过PN结实现单向导通的特性。PN结分别由P型半导体（Positive）和N型半导体（Negative）组成，P型半导体中缺少自由电子，靠空穴导电，N型半导体中自由电子较多，可以导电。当P型半导体和N型半导体组合到一起时，两者接触面附近的自由电子和空穴会互相吸引，被束缚在边界，无法自由移动，这一区域被称为耗尽层，不再导电。当外界施加从N到P的电压时，电子从P到N方向移动，耗尽区扩大，PN结不导通；当外界施加从P到N的电压时，电子从N到P方向移动，耗尽区缩小，PN结导通。PN结由此实现了单向导通的特性。

超导原理本身的并没有任何涉及方向性的内容。可以通过外界磁场强行给超导体施加各向异性，从而实现单向超导。但在不施加外界磁场的情况下，单向导通这样具有强烈方向性的特性似乎和超导风马牛不相及。

更何况，BCS理论中的库珀对存在于金属晶体的晶格中，PN结则是建立在半导体的特殊性质上，金属和半导体的性质差异又是一道难以跨越的鸿沟。今天，计算消耗了越来越多的能源，神经网络的训练过程更是能耗大户，甚至有人怀疑，在实现真正的人工智能之前，人类会被高昂的能源代价拖垮。超导技术已经逐渐进入我们的生活，去年12月，上海徐汇商业核心区就已经投产了总长1.2公里，额定电流2200安培，额定容量133兆伏安的超导电缆输电工程。难道我们真的不能用超导技术降低能耗吗？

单向超导

上个月，德尔夫特大学（TU Delft）副教授马扎尔·阿里（Mazhar Ali）和他的团队在《自然》杂志上发表论文，首次在没有外加磁场的情况下，实现了单向超导性。他们利用二维量子材料制成“量子材料约瑟夫森结”（QMJJs），重新点燃了超导计算的希望。

约瑟夫森结（Josephson junction，JJ）是英国物理学家布莱恩·戴维·约瑟夫森（Brian David Josephson）在1962年发现的一种现象。这种结构由超导体和绝缘体（或其他可以形成势垒的材料）构成，结构通常为超导体-绝缘体-超导体（S-I-S）。在这种结构中，超导体中的库珀对可以发生量子隧穿现象。由于这项发现，他被授予了1973年的诺贝尔物理学奖。

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