MIT团队发现目前效率最高的超导二极管效应，或催生新型高效率低能耗计算机

人类各个阶段文明的划分，可以说就是材料的划分：石器时代、青铜时代、铁器时代、工业革命。而我们现在所处的信息时代，也可以叫作：硅时代。

当前时代最重要的产物之一便是计算机，其芯片的基本构成单元就是硅基二极管。硅基二极管属于半导体二极管，它的电阻可以通过加上一个栅极来控制。

在栅极上加上一个很小的电压，就可以极大改变加在二极管上的电压，并由此来实现计算机的基本逻辑单元零和壹。

目前，一个计算机芯片里大约有 150 亿个硅基二极管。因为二极管电阻不为零，它们在运算（电流通过）时会产生大量的热量。

因此，在蓬勃发展的现代科技中，比如在云计算和人工智能的背后，都是一个个高能耗的数据运算中心，对这些数据中心进行散热需要极高的能量消耗。据 2018 年 Nature 的报道，未来十年单单是数据中心的散热需要的能耗就接近全世界能耗的 20%。

近年来，在一些超导材料中观测到的“超导二极管效应”引起了很多凝聚态物理学家的关注。在一些特定条件下，当流入一个正向电流时，具有超导二极管效应的器件会处在一个超导态，这时电阻为零。

如果电流方向发生翻转，通入一个逆向电流时，这种器件表现出电阻不为零的正常金属态。这种会表现出超导二极管效应的材料，很有希望用于制作超低能耗的超导体二极管，来取代传统的硅基半导体二极管。

不同于硅基半导体二极管，理论来讲超导二极管在运行时可以处在一个超导态，即电阻绝对为零。此时，电流通过超导二极管不会引起任何能量耗散。

因此，如果超导二极管可以被成功制备，它将会对当前的计算方法产生革命性的影响。截至目前为止，超导二极管效应的研究都是在极其复杂的材料体系中进行的。

虽然人们对超导二极管效应的机理还没有完全理解，但是大部分科研人员认为它和“有限动量库伯对”的形成有关。

由于在有限动量库伯对形成过程之中，需要自旋轨道耦合和磁场交换耦合。因此，当前研究中所用到的复杂材料都存在制备可重复性不足的问题，并且二极管效应的效率一直都很低，难以产生实际的应用价值。

麻省理工学院博士后侯亚森和所在团队发现：超导二极管效应事实上是一个在超导薄膜中普遍存在的现象。

通过制备非常简单的超导体薄膜材料比如钒或铌，他们发现通过控制传统薄膜超导体器件的对称性破缺，就可以轻松观测到目前为止最大的超导二极管效应。这对于制备具有应用价值的超导二极管起到了巨大的推动作用。

图 | 侯亚森（来源：侯亚森）

不对称超导电流传输几年来吸引了非常多的关注。实验上在不同材料体系里都观测到了超导二极管效应，并且关于超导二极管效应的理论研究也在进行中。

整体来看，该团队报道了在超导薄膜中所观测到的普遍存在的超导二极管效应。在产生这种效应的时候，并不需要自旋轨道耦合或磁场交换耦合。

此次提出的机理对于理解超导二极管效应带来极大影响，并且这种机理也可以用来解释其他超导体中观测到的二极管效应。更重要的是，课题组展示出了三种超导二极管效应，此次观测到的超导二极管效应的最高效率达到 65%，这能对实际应用起到直接推动作用。

假如超导二极管如果可以被成功制备，它将会形成一种全新的高效低能耗计算机。然而，并不是所有表现出超导二极管效应的材料都可以被用来制作超导二极管。

理论上说，一个完美的超导二极管器件拥有 100% 的效率，也就是说无论通入的电流密度是多少，二极管效应一直都存在。这样的超导二极管的运行时超导态的能耗为零，金属态的能耗也可以无限接近零。

当效率低于 100% 时，通入器件的电流密度需要保持在一个不为零的有限区间范围内，才能保证器件在不同的电流方向上分别表现出超导性和金属性。这时，金属态就会产生一定的能耗。

截至目前为止，实验室制备的超导二极管器件尺寸都处于微米级尺寸依然比较大。而运行所需要的电流也在毫安级，因此它的金属态会有相当大的能耗。

如果能提高效率到接近 100%，同时降低器件的尺寸到纳米级，那么超导二极管本身将在芯片领域表现出非常大的应用价值。

上述问题解决之后，还可以把超导二极管耦合在磁阻式随机存取内存之上，从而把磁阻式随机存取内存转换成为一个非易失性晶体管，执行具备记忆功能的计算处理。

图 | 相关论文（来源：Physical Review Letters）

事实上，一开始该团队打算使用自研材料体系来研究马约拉纳费米子，马约拉纳费米子是一种很有潜力的量子比特候选材料。

当他们了解到超导二极管效应时，发现有限动量库伯对理论预测中所需要的自旋轨道耦合和磁场交换耦合，刚好在他们的体系里都存在。并且不同于其他材料体系，课题组可以分别对两者进行调节。

很快他们就制备了钒薄膜和铌薄膜，并且在薄膜的上下表面加入和铂层和 EuS 铁磁层，分别用来提供有限动量库伯对理论中的自旋轨道耦合和交换耦合。

让他们感到惊喜的是，在没有对薄膜参数进行深入优化的前提下，很快就测到了超导二极管效应，并能表现出高达 65% 效率，远远超过此前实验报道的效率（30%）。

可以说，他们在最简单的体系里发现了最大效率的超导二极管效应。

而后，由于他们所使用的材料体系具有高度可调节性，于是又对自旋轨道耦合和交换耦合的作用分别进行了研究。

结果发现即使去除铂层和铁磁层，钒薄膜和铌薄膜器件本身就会表现出稳定的超导二极管效应，这些发现远远超出了理论预测的范畴。

之后通过更加全面的实验研究，以及和 MIT 的理论物理学家合作，利用器件的对称性破缺和普遍存在的迈斯纳效应，他们成功解释了在实验上观测到的所有超导二极管效应。

在对理论机理进行阐述的基础之上，他们通过控制对称性破缺，分别在超导薄膜、以及超导/铁磁双层薄膜中进行了参数优化，各自实现了破纪录的高达 65% 的超导二极管效率。

图 | 相关论文（来源：Physical Review Letters）

表面上看，他们的观测结果是对有限动量库伯对的一次完美验证和效果展示。然而，本着追根究底的态度，他们没有选择盲从或急于求成，而是对材料体系进行了更加深入、细致的全面研究，最终理清了超导二极管效应的根本机理，进一步提高了二极管的效率，并且给后续研究指明了方向。

最终，相关论文以《超导薄膜中普遍存在的超导二极管效应》（）为题发在 Physical Review Letters，侯亚森是第一作者，麻省理工学院贾加迪什·穆德拉（）教授和帕特里克·A·李（）教授担任共同通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Physical Review Letters）

不过，从在一个材料中观测到超导二极管效应，到使用这个材料制作可投入应用的超导二极管还有着不小的距离。除了前面提到的超导二极管效应的效率和器件尺寸的限制，第三个限制因素是运行温度区间。

超导体只有在温度低于临界温度是才表现出超导特性。高于临界温度时，则会失超成为正常金属。

目前，该团队所测到破纪录的超导二极管效率是在 1.8K 下。在理清超导二极管效应形成机理的前提下，后续他们将致力于破除以上三大限制因素，例如进行更优化的器件设计来提高效率、缩小尺寸，以及使用高温超导体来提高运行温度等。

参考资料：

1.Hou, Y., Nichele, F., Chi, H., Lodesani, A., Wu, Y., Ritter, M. F., ... & Moodera, J. S. (2023). Ubiquitous superconducting diode effect in superconductor thin films.Physical Review Letters, 131(2), 027001.

排版：朵克斯