新型单向超导二极管有望对未来的计算设备产生巨大影响

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代尔夫特理工大学的一个团队展示了一种单向超导体,它在一个方向上的电阻为零,但在另一个方向上完全阻断电流。这一长期以来被认为不可能的发现,预示着计算速度的400倍飞跃和巨大的能源节约。超导体可以使电子设备的速度提高数百倍,并完全消除能量损失,但它们只对某些应用有用,因为如果不使用磁场,就不可能阻止它们在所有方向导电。

在无法控制流动方向的情况下建造计算机?不可能。因此,我们只能用半导体,而摩尔定律因此会撞到它们的极限。

因此,这一发现是非常重要的。马扎尔-阿里(Mazhar Ali)副教授和代尔夫特理工大学的一个团队在《自然》杂志上发表了新的研究,打开了超导二极管的大门,预示着电子产品的速度和能源效率将发生革命性的变化。

半导体可以有一个内置的固定偶极子,有效地使电子在一个方向比另一个方向更难移动,而超导体没有这样的内置电位,所以只有使用磁场才能诱导出这样的电位。这是在纳米级水平上极难控制的事情,所以它对电子学来说并不实用。

为了突破这一限制,阿里和团队引入约翰霍普金斯大学材料物理学团队正在开发的一种新型量子材料。与石墨烯一样,Nb3Br8是一种用于原子级薄片的二维材料,但它被推测为拥有自己的电偶极。阿里和他的团队创造了所谓的"量子材料约瑟夫森结"- 两个超导体的三明治,中间是量子材料Nb3Br8。"我们能够将这种Nb3Br8剥离几个原子层,制成一个非常非常薄的三明治结构--只有几个原子层的厚度--这是制造约瑟夫森二极管所需要的,而用普通的三维材料是不可能的,"阿里对SciTechDaily解释说。

"许多技术都是基于旧版本的JJ超导体,"阿里继续说。"例如,核磁共振技术。另外,今天的量子计算也是基于约瑟夫森结的。但区别在于以前只可能使用半导体的技术,现在有可能使用这种构件的超导体来制造。这包括更快的计算机,如速度高达太赫兹的计算机,比我们现在使用的计算机快300至400倍。这将影响各种社会和技术应用。如果说20世纪是半导体的世纪,那么21世纪可以成为超导体的世纪"。

研究人员使用不同批次的材料建造并测试了"许多设备",每次都发现了一个强烈定向的约瑟夫森二极管结果。他们尝试逆转二极管,并尝试在结点上施加各种磁场以观察可能会产生什么影响。结果显示二极管在前进方向上没有阻力,在后退方向上有正常的阻力,而且在零磁场下也能工作。

迄今为止的研究是在极冷的温度下进行的,温度低于77开尔文(-196℃,-321°F)。因此,下一个挑战是将温度提高到电子设备可以现实地用液氮冷却的区域。这应该可以使用"已知的高Tc超导体"来实现。

然后要解决的是制造问题,阿里说。"虽然我们证明这在纳米设备中是可行的,这很好,但我们只做了一小部分。下一步将是研究如何将生产规模扩大到一个芯片上的数百万个约瑟夫森二极管。"

在服务器群和超级计算机中实施这种超导技术将是有意义的。集中计算是当今世界的真正运作方式。任何和所有密集的计算都是在集中的设施中完成的,在电源管理、热管理等方面,本地化增加了巨大的好处。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装置一起工作。有一个非常真实的机会,如果在另一个问题中讨论的挑战被克服,这将彻底改变集中式计算和超级计算的游戏规则。

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