麻省理工學院的一個科學家小組與他們的同事一起開發出了一種簡單的超導設備，它可以比現在更有效地通過電子設備傳輸電流。因此，這種新型二極管（一種開關）可以大大降低大功率計算系統的能耗。這是一個緊迫的問題，預計在未來會變得更加重要。儘管還處於早期開發階段，但這種二極管的能效是其他類似產品的兩倍多。它甚至可以成為新興量子計算技術不可或缺的一部分。

麻省理工學院的科學家及其同事創造了一種簡單的超導設備，它可以比現在更有效地通過電子設備傳輸電流。因此，這種新型二極管（一種開關）可以大幅減少大功率計算系統的能耗，而這一重大問題估計會變得更加嚴重。儘管還處於早期開發階段，但這種二極管的效率是其他類似產品的兩倍多。它甚至可以成為新興量子計算技術的組成部分。

《物理評論快報》（Physical Review Letters）7 月13 日在線版報導了這項工作，《物理雜誌》（Physics Magazine）也對其進行了報導。

德國馬克斯-普朗克物質結構與動力學研究所所長菲利普-莫爾（Philip Moll）說：”這篇論文表明，從工程學的角度來看，超導二極管完全是一個已經解決的問題。這項工作的美妙之處在於，穆德拉及其同事甚至沒有嘗試就獲得了創紀錄的效率，而且他們的結構還遠遠沒有達到最優化。”

“我們對超導二極管效應的工程設計是穩健的，可以在簡單系統中的寬溫度範圍內運行，並有可能為新型技術打開大門，”當前工作的領導者、麻省理工學院物理系高級研究科學家賈格迪什·穆德拉（Jagadeesh Moodera）說。穆德拉還隸屬於材料研究實驗室、弗朗西斯-比特磁實驗室和等離子體科學與聚變中心(PSFC)。

這種納米級矩形二極管比人的頭髮直徑還要細約1000 倍，很容易擴展。在一塊矽晶片上可以生產數百萬個。

麻省理工學院高級研究科學家Jagadeesh Moodera 站在用於製造超薄薄膜的定制系統前。他的研究工作包括：能產生無電阻、自旋極化電流的設備；在單分子水平上實現記憶存儲；以及尋找量子計算所需的難以捉摸的馬約拉納費米子。資料來源：Denis Paiste

二極管是一種能讓電流輕鬆單向傳輸但不能反向傳輸的器件，在計算系統中無處不在。現代半導體計算機芯片包含數十億個被稱為晶體管的二極管狀器件。然而，這些器件會因電阻而變得非常熱，需要大量能源來冷卻包括雲計算在內的無數現代技術背後數據中心的大功率系統。根據《自然》雜誌2018 年的一篇新聞特寫，這些系統可能在十年內耗費全球近20% 的電力。

因此，製造超導體二極管的工作一直是凝聚態物理學的熱門話題。這是因為超導體在一定的低溫（臨界溫度）以下傳輸電流時完全沒有電阻，因此比其半導體同類元件效率高得多，後者會以熱量的形式造成明顯的能量損失。

然而，到目前為止，解決這一問題的其他方法涉及的物理學問題要復雜得多。”我們發現的效果部分是由於超導體無處不在的特性，這種特性可以通過非常簡單、直接的方式實現。”

馬克斯-普朗克物質結構與動力學研究所的莫爾說：”這項工作是對目前將超導二極管與有限動量配對狀態等奇異物理聯繫起來的一種重要反駁。而實際上，超導二極管是存在於經典材料中的一種普遍而廣泛的現象，是某些對稱性被破壞的結果。

2020 年，穆德拉及其同事觀測到了一種被稱為馬約拉納費米子的奇異粒子對的證據。這些粒子對可能會產生新的拓撲量子比特家族，即量子計算機的構件。在思考製造超導二極管的方法時，研究小組意識到，他們為馬約拉納工作開發的材料平台也可能適用於二極管問題。

他們的想法是正確的。利用這個通用平台，他們開發出了不同迭代的超導二極管，每一個都比上一個更高效。例如，第一個超導二極管由一層納米級的超導體釩組成，釩被圖案化為電子學中常見的結構（霍爾條）。當他們施加與地球磁場相當的微小磁場時，他們看到了二極管效應–電流流動的巨大極性依賴性。

然後，他們又製造了另一個二極管，這次是將超導體與鐵磁體（在他們的研究中是鐵磁絕緣體）分層，鐵磁絕緣體是一種能產生自身微小磁場的材料。在施加微小的磁場對鐵磁體進行磁化，使其產生自己的磁場後，他們發現了一個更大的二極管效應，這種效應即使在原始磁場關閉後也能保持穩定。

除了以無阻力方式傳輸電流外，超導體還具有其他一些不太為人所知但卻無處不在的特性。例如，它們不喜歡磁場進入內部。當暴露在微小的磁場中時，超導體會產生內部超電流，誘發自身的磁通量，抵消外部磁場，從而保持超導狀態。這種現像被稱為邁斯納篩選效應，可以認為它類似於我們身體的免疫系統釋放抗體來抵抗細菌和其他病原體的感染。然而，這只能在一定限度內起作用。同樣，超導體也無法完全阻擋大磁場。

研究小組創建的二極管利用了這種普遍的邁斯納屏蔽效應。他們直接或通過鄰近的鐵磁層施加的微小磁場激活了材料的屏蔽電流機制，從而驅除外部磁場並保持超導性。

研究小組還發現，優化這些超導二極管的另一個關鍵因素是二極管器件兩側或邊緣之間的微小差異。這些差異”在磁場進入超導體的方式上產生了某種不對稱”。

通過在二極管上設計自己的邊緣形式來優化這些差異–例如，一個邊緣具有鋸齒特徵，而另一個邊緣沒有刻意改變–研究小組發現，他們可以將效率從20% 提高到50% 以上。這一發現為”調整”邊緣以實現更高效率的設備打開了大門，穆德拉說。

總之，研究小組發現，超導二極管的邊緣不對稱、所有超導體中無處不在的邁斯納篩選效應以及超導體的第三個特性–渦旋針銷–共同產生了二極管效應。

論文第一作者、弗朗西斯-比特磁實驗室（Francis Bitter Magnet Laboratory）和PSFC 的博士後侯亞森（Yasen Hou）說：”在觀察二極管效應的過程中，看到不起眼但無處不在的因素是如何產生重大影響的，這令人著迷。更令人興奮的是，[這項工作]提供了一種直接的方法，具有進一步提高效率的巨大潛力”。

Christoph Strunk 是德國雷根斯堡大學的教授，他說：”目前的工作表明，簡單超導帶中的超電流可以變成非互易的。此外，當與鐵磁絕緣體結合時，甚至可以在沒有外部磁場的情況下保持二極管效應。整流方向可以通過磁層的剩磁來編程，這可能在未來的應用中具有很大的潛力。無論是從基礎研究還是從應用的角度來看，這項工作都是非常重要和有吸引力的。”