《自然物理學》重磅：超導二極管在高溫上實現(xiàn)完美效率

追求高效能計算與高速電子器件的道路上，始終受制于一個根本的物理限制：熱耗散。在傳統(tǒng)的半導體中，二極管（允許電流單向通過，阻斷反向電流的器件）是現(xiàn)代邏輯電路的基石。然而，半導體本質(zhì)上具有電阻，這不可避免地導致了能量損耗。近期由薛其坤院士、張定教授團隊發(fā)表在《自然物理學》的關(guān)于《Quantum superconducting diode effect with perfect efficiency above liquid-nitrogen temperature》的研究，標志著凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的重大突破，為無損、高速量子電子學鋪平了道路。

1. 超導二極管效應 (SDE) 的物理機制

在傳統(tǒng)的超導體中，庫珀對（超導電流）的流動是對稱的：在正向（+Ic）和反向（-Ic）打破超導狀態(tài)所需的臨界電流是完全相同的。要實現(xiàn)超導二極管效應 (SDE)，必須打破兩個基本的對稱性：

• 空間反演對稱性：物理結(jié)構(gòu)必須具有方向性。
• 時間反演對稱性：通常通過外加磁場或內(nèi)部磁序來實現(xiàn)。

當這些對稱性被打破時，系統(tǒng)表現(xiàn)出非互易傳輸特性，即+Ic ≠-Ic。如果這種差異足夠大，在特定電流下，器件在一個方向上表現(xiàn)為零電阻超導態(tài)，而在另一個方向上則表現(xiàn)為有電阻的耗散態(tài)。

2. 核心突破：進軍液氮溫區(qū)

歷史上，超導二極管效應通常只能在毫開爾文或極低開爾文溫度（接近絕對零度）下觀察到，這需要昂貴且龐大的液氦冷卻系統(tǒng)。該項研究通過使用高溫超導體 (HTS) 改變了這一范式。

扭轉(zhuǎn) Bi2212 的關(guān)鍵作用

研究團隊利用了Bi?Sr?CaCu?O?+δ}（簡稱 Bi2212），這是一種具有高轉(zhuǎn)變溫度的銅氧化物超導體。通過將兩層原子級薄的 Bi2212 晶體以特定角度堆疊并扭轉(zhuǎn)，他們構(gòu)建了一個扭轉(zhuǎn)約瑟夫森結(jié)。

這種扭轉(zhuǎn)界面至關(guān)重要，因為它自然地打破了空間反演對稱性，并允許兩層超導層之間d波序參量的復雜干涉。

3. “完美效率”與量子優(yōu)勢

“完美效率”（η = 100%）是指二極管效應達到了絕對狀態(tài)。在以往的研究中，效率定義為：

該數(shù)值通常遠低于40%。

而該突破中的“量子”特性源于與微波輻射的相互作用。當結(jié)區(qū)暴露在微波頻率下時，它會表現(xiàn)出夏皮羅步階 (Shapiro steps)——即量子化的電壓平臺。

研究表明，在特定的微波驅(qū)動下，系統(tǒng)進入一種特殊相位：

• 正向： 超導電流保持穩(wěn)健（零電壓）。
• 反向： 超導電流完全消失，器件直接躍遷到量子化的電壓狀態(tài)。

由于這種轉(zhuǎn)變受量子力學相位鎖定（交流約瑟夫森效應）控制，二極管的行為是“數(shù)字化”且高度穩(wěn)定的，使其在超過 77 K 的溫度下實現(xiàn)了真正的 100% 整流效率。

4. 技術(shù)創(chuàng)新：無磁場運行

實際應用超導電路的一個主要障礙是需要外部磁場，磁場難以局部化且會干擾其他組件。這項工作突出了一種無磁場機制。

通過一種稱為“電流訓練”（Current Training）的過程（即向器件通入特定的直流電流脈沖），內(nèi)部磁通或超導相位的分布被重新排列。這使得器件能夠“記住”其非互易特性，無需持續(xù)的外加磁場即可運行，極大提升了其集成到微芯片中的可行性。

5. 對未來的深遠影響

實現(xiàn)在液氮溫區(qū)（77 K）運行是工業(yè)應用的“圣杯”。液氮比液氦便宜得多，處理更安全，且已在醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域廣泛應用。潛在應用：

• 低溫計算： 構(gòu)建功耗僅為目前數(shù)據(jù)中心極小部分的超級計算機。
• 量子邏輯門：將 QSDE 作為量子信息處理的開關(guān)，100% 的效率保證了極高的保真度。
• 航天技術(shù)： 深空環(huán)境的被動冷卻足以達到 77 K，允許這些二極管在無需主動制冷的情況下在衛(wèi)星電子設備中運行。

6. 結(jié)語

在高溫下實現(xiàn) 100% 效率的量子超導二極管不僅是一個實驗室奇跡，更是下一代電子學的藍圖。通過將扭轉(zhuǎn)高溫超導界面的拓撲特性與量子微波動力學相結(jié)合，研究人員為未來終結(jié)電子設備“發(fā)熱”難題提供了一種可能的方案。