超导芯片的曙光！超导体也能单向导电，曾被认为不可能

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？

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

前段时间，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。

但约瑟夫森结这一技术同样是对称的，不存在任何特殊的对称性破缺机制，导致电流出现"向前"和"向后"的差异。而在阿里教授的量子材料约瑟夫森结中，原本约瑟芬森结中的经典势垒材料被量子势垒材料 Nb₃Br₈取代了。Nb₃Br₈是一种类似于石墨烯的二维材料，研究团队可以在这种材料上剥离几层原子，制作一个非常薄的"三明治"结构。这种量子材料的固有特性能以非常精细的方式调节两个超导体之间相互耦合的方式，从而实现单向超导。最终，阿里教授团队使用 NbSe₂/Nb₃Br₈/NbSe₂的结构实现了单向导通的超导体。在 20mK、没有磁场的环境下，他们证明这种材料在正向电流下超导，在负向电流下表现出电阻的特性。

美好的未来

这个成果足以让人浮想联翩。阿里教授表示，这样的技术或许可以大幅提升芯片的计算速度，将其速度提升到 THz 级别，而当前先进芯片的运行频率普遍在 1～5GHz 之间，相当于速度提升了几百倍。不过在这种芯片真正投入使用之前，他们还需要解决两个问题。第一是将这种结构的工作温度提升到 77K 以上，液氮制冷能冷却到这个温度，可以大幅降低制冷成本。第二是扩大生产规模，此次试验只在纳米器件中制造了一点量子约瑟夫森结，接下来需要解决的是这种材料大规模量产的难题。

2020 年，含碳的硫化氢超导体 C-S-H 在 260 万倍大气压下实现室温超导的成就曾给人带来很大的希望。但这项研究在去年却受到了一系列质疑，有人怀疑实验团队的数据存在造假嫌疑。这无疑让人对超导方面的成就更多了几分慎重。而马扎尔・阿里的团队则尽可能让他们的实验保持严谨，尽可能保证实验的可重复性。他们已经用不同批次的材料，用不同国家的设备制造并测量了这种结构，并且都测到了符合预期的结果。

不过，你可能很难在短时间内在家用电脑、甚至手机上用上超导芯片。就算研究团队成功将芯片的工作温度提升到 77K 以上，液氮冷却的成本也是大多数人难以承受的。不过，在计算能耗越来越不容忽视的今天，就算只是在数据中心用上这样的技术，整个人类社会由此节省的能量，仍是不容忽略的。

参考链接：

• https://www.nature.com/articles/s41586-022-04504-8

• https://www.eurekalert.org/news-releases/950503

• http://stdaily.com/index/kejixinwen/2021-12/22/content_1241108.shtml

• https://en.wikipedia.org/wiki/Josephson_effect

• https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/10/467672.shtm

本文来自微信公众号：环球科学 （ID：huanqiukexue），作者： 王昱