单向超导体的突破性发现——昔日被认为是不可能的

诸平

Fig. 1 Artist Impression of a superconducting chip. Credit: TU Delft

Fig. 2 Associate Prof. Dr. Mazhar Ali (middle) with his fellow researchers Dr. Yaojia Wang (left) and Dr. Heng Wu (right).

据荷兰代尔夫特理工大学（Delft University Of Technology简称TU Delft）网站2022年4月28日报道，代尔夫特理工大学(TU Delft)的副教授马扎·阿里（Mazhar Ali）和他的研究小组发现了没有磁场的单向超导（Breakthrough Discovery of the One-Way Superconductor – Thought To Be Impossible）。

自1911年发现单向超导以来一直被认为是不可能的——直到现在。这一发现于2022年4月27日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Heng Wu, Yaojia Wang, Yuanfeng Xu, Pranava K. Sivakumar, Chris Pasco, Ulderico Filippozzi, Stuart S. P. Parkin, Yu-Jia Zeng, Tyrel McQueen, Mazhar N. Ali. The field-free Josephson diode in a van der Waals heterostructure. Nature, Published: 27 April 2022, 604: 653–656. DOI: 10.1038/s41586-022-04504-8. https://www.nature.com/articles/s41586-022-04504-8，利用了2D量子材料，为超导计算铺平了道路。超导体可以以百倍的速度制造电子产品，而且能量损耗为零。

马扎·阿里:“如果说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。”

在整个20世纪，包括诺贝尔奖得主在内的许多科学家都在为1911年荷兰物理学家卡梅林·昂尼斯（Kamerlingh Onnes）发现的超导性的本质而奋斗。在超导体中，电流通过导线时没有电阻，这意味着抑制甚至阻断电流几乎是不可能的——更不用说让电流只向一个方向流动而不向另一个方向流动了。阿里的团队能够制造出单向超导——这是计算所必需的——这一事实是了不起的:这就像发明了一种特殊类型的冰，一方面没有摩擦，另一方面却有不可克服的摩擦。

超导体:超快,超级绿色（Superconductor: super-fast, super-green）

将超导体应用于电子学有两方面的好处。超导体可以以百倍的速度制造电子产品，而将超导体融入我们的日常生活将使IT更环保:如果你从这里架设一根超导导线到月球，它就可以毫无损失地传输能量。例如，根据荷兰科学研究组织（Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek简称NWO）的数据，使用超导体而不是常规半导体可能会节省西部所有能源储量的10%。

根据荷兰研究委员会(NWO)的说法，使用超导体代替传统半导体可能会节省西方国家10%的能源储备。

应用超导的(不)可能性{ The (im)possibility of applying superconducting}

在20世纪及以后，没有人能够解决使超导电子单向运动的障碍，这是计算机和其他现代电子所需要的基本属性(例如二极管也是单向运动的)。在正常的传导中，电子以单独的粒子四处飞行;在超导体中，它们是成对运动的，不会损失电能。在20世纪70年代，美国国际商用机器公司（IBM）的科学家尝试了超导计算的想法，但不得不停止:在他们关于这个主题的论文中，IBM提到，如果没有非互易超导，在超导体上运行的计算机是不可能的。

超导性是一种物理特性，在某些材料中，电阻消失，磁场消失。超导体是任何具有这些特性的物质。

采访通讯作者马扎·阿里（Interview with corresponding author Mazhar Ali）

问:为什么单向电导和正常的半导一起工作时，单向电导以前从来没有工作过?

马扎·阿里:“半导体的导电，像硅，可以是单向的，因为内部有一个固定的电偶极子，所以它们可以有一个内建的电位网。教科书中的例子是著名的pn结;我们把两个半导体放在一起:一个有额外的电子(-)，另一个有额外的空穴(+)。电荷的分离产生了一个内在的净电位，一个通过系统的电子将会感受到。这打破了对称性，并可能导致“单向（one-way）”属性，因为例如，向前vs向后不再是相同的。与偶极子方向相同和方向相反是不同的;类似于你在河里游泳或逆流而上。”

“超导体从来没有类似的没有磁场的单向想法;因为它们与金属(即导体，顾名思义)关系更大，而不是半导体，半导体总是双向导电，没有任何内在的电位。类似地，约瑟夫森结(Josephson Junctions简称JJs)是两个超导体的三明治，在超导体之间有非超导的经典阻挡材料，也没有任何特定的对称打破机制，导致‘向前’和‘向后’之间的差异。”

问:你是如何做到一开始看似不可能的事情的?

马扎·阿里: “这实际上是我们小组的一个基础研究方向的结果。在我们称之为‘量子材料约瑟夫森结(Quantum Material Josephson Junctions简称QMJJs) ’中，我们用量子材料势垒取代了JJs中的经典势垒材料，其中量子材料的固有特性可以以新的方式调节两个超导体之间的耦合。约瑟夫森二极管（Josephson Diode）就是一个例子:我们使用了量子材料Nb₃Br₈，这是一种像石墨烯一样的二维材料，被理论化为拥有净电偶极子（net electric dipole），作为我们选择的量子材料屏障（quantum material barrier），并将其置于两个超导体之间。”

 “我们能够剥离Nb₃Br₈的几个原子层，制作一个非常非常薄的三明治——只有几个原子层厚——这是制作约瑟夫森二极管（Josephson diode）所需的，而普通的3D材料是不可能做到的。Nb₃Br₈是由我们的合作者，美国约翰·霍普金斯大学（Johns Hopkins University in the USA）的泰勒尔·麦昆（Tyrel McQueen）教授和他的团队开发的新量子材料的一部分，是我们首次实现约瑟夫森二极管的关键部件。”

问:这一发现在影响和应用方面意味着什么?

马扎•阿里:“许多技术都是基于老版本的JJ超导体，例如磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging简称MRI）技术。而且，今天的量子计算是基于约瑟夫森结的。以前只能用半导体才能实现的技术现在可以用这种材料来制造超导体了。这包括速度更快的计算机，比如速度达到太赫兹的计算机，比我们现在使用的计算机快300~400倍。这将影响到各种各样的社会和技术应用。如果说20世纪是半导体的世纪，那么21世纪就是超导体的世纪。”

“为了实现商业应用，我们必须解决的第一个研究方向是提高操作温度。这里我们使用了一种非常简单的超导体来限制工作温度。现在我们想要研究所谓的“高温超导体”，看看我们是否能在77 K以上的温度下操作约瑟夫森二极管，因为这将允许液氮冷却。要解决的第二件事是扩大生产规模。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。下一步将是研究如何在一个芯片上大规模生产数百万个约瑟夫森二极管。”

问:你对自己的情况有多确定?

马扎•阿里:“所有科学家都需要采取几个步骤来保持科学的严谨性。首先是确保他们的结果是可重复的。在这种情况下，我们从零开始，用不同批次的材料，制造了很多设备，每次都发现了相同的属性，即使是在不同国家的不同机器上由不同的人测量。这告诉我们，约瑟夫森二极管的结果来自我们的材料组合，而不是一些污垢、几何形状、机器或用户错误或解释的虚假结果。”

 “我们还进行了‘确凿证据’的实验，极大地缩小了解释的可能性。在这种情况下，为了确保我们有超导二极管效应，我们实际上尝试了‘开关’二极管;我们在正反两个方向都施加了相同大小的电流，结果显示，我们实际上在一个方向上测量没有电阻(超导性)，而在另一个方向上测量实际电阻(普通电导率)。”

“我们在施加不同强度的磁场时也测量了这种效应，并表明这种效应在施加磁场为0时明显存在，并被施加的磁场灭杀。这也是我们声称在零应用领域（zero-applied field）有超导二极管效应的确凿证据，这是技术应用的一个非常重要的点。是因为纳米尺度的磁场很难控制和限制，所以在实际应用中，通常希望在不需要局部磁场的情况下工作。”

问:普通计算机(甚至是KNMI和IBM的超级计算机)使用超导技术现实吗?

马扎•阿里:“是的!不是对家人，而是对服务器群或超级计算机，实现这一点将是明智的。集中计算是当今世界的运作方式。任何和所有的密集计算都是在集中的设施中完成的，本地化在电源管理、热管理等方面带来了巨大的好处。现有的基础设施可以在没有太多成本的情况下与基于约瑟夫森二极管的电子器件一起工作。如果在另一个问题中讨论的挑战被克服，这将是一个非常现实的机会，这将彻底改变集中化和超级计算!”

更多信息

5月18-19日，马扎•阿里教授和他的合作者、康奈尔大学（Cornell University）的瓦拉·法特米（Valla Fatemi）教授及和代尔夫特理工大学的吴恒博士（Dr. Heng Wu, Fig. 2）将在虚拟科学论坛（Virtual Science Forum）上举办“超导二极管效应研讨会（Superconducting Diode Effects Workshop）”，12位该领域的国际专家将在网上录制演讲，将在YouTube视频网站上发布，介绍该领域的现状和未来的研究和发展方向。

马扎·阿里简介

副教授马扎·阿里曾在加州大学伯克利分校（UC Berkeley）和普林斯顿大学（Princeton University）学习，并在IBM做博士后，在加入代尔夫特大学应用科学学院（Faculty of Applied Sciences in Delft）之前，他获得了德国亚历山大·冯·洪堡基金会（Alexander von Humboldt Foundation in Germany）颁发的索菲娅·柯瓦列夫斯卡娅奖（Sofia Kovalevskaja Award）。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The superconducting analogue to the semiconducting diode, the Josephson diode, has long been sought with multiple avenues to realization being proposed by theorists^1,2,3. Showing magnetic-field-free, single-directional superconductivity with Josephson coupling, it would serve as the building block for next-generation superconducting circuit technology. Here we realized the Josephson diode by fabricating an inversion symmetry breaking van der Waals heterostructure of NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂. We demonstrate that even without a magnetic field, the junction can be superconducting with a positive current while being resistive with a negative current. The ΔI_c behaviour (the difference between positive and negative critical currents) with magnetic field is symmetric and Josephson coupling is proved through the Fraunhofer pattern. Also, stable half-wave rectification of a square-wave excitation was achieved with a very low switching current density, high rectification ratio and high robustness. This non-reciprocal behaviour strongly violates the known Josephson relations and opens the door to discover new mechanisms and physical phenomena through integration of quantum materials with Josephson junctions, and provides new avenues for superconducting quantum devices.