由菲利普·金(Philip Kim) 領導的哈佛大學研究人員透過使用銅氧化物製造高溫超導二極管，實現了更先進的超導技術。這一發展對於量子計算至關重要，代表著操縱和理解奇異材料和量子態的重要一步。

幾十年來，超導體一直引起物理學家的興趣。但這些允許電子完美、無損流動的材料通常只在溫度如此低（比絕對零度以上幾度）時才表現出這種量子力學特性，以致於使其的現實應用不切實際。

由哈佛大學物理學和應用物理學教授Philip Kim 領導的研究小組展示了一種製造和操縱一類被廣泛研究的高溫超導體材料（稱為銅酸鹽）的新策略，為在以前無法實現的領域設計新的、不尋常的超導形式掃清了道路。

Kim 和他的團隊使用一種獨特的低溫器件製造方法，在《科學》雜誌上報道了世界上第一個高溫超導二極管的有希望的候選者- 本質上它是一種使電流沿一個方向流動的開關- 由薄銅酸鹽製成的晶體。從理論上講，這種設備可以為量子運算等新興產業提供動力，這些產業依賴難以維持的轉瞬即逝的機械現象。

堆疊、扭曲銅酸鹽超導體的圖形表示，以及背景中的隨附數據。圖片來源：Lucy Yip、Yoshi Saito、Alex Cui、Frank Zhao

「事實上，高溫超導二極體在不施加磁場的情況下是可能的，並為奇異材料研究打開了新的探究之門，」金說。

銅酸鹽是一種銅氧化物，幾十年前，它們在比理論學家想像的更高的溫度下變得超導，從而顛覆了物理學界，“更高”是一個相對術語（銅酸鹽超導體的目前記錄是華氏-225度）。但由於這些材料複雜的電子和結構特徵，在不破壞其超導相的情況下處理這些材料是極其複雜的。

團隊的實驗由格里芬藝術與科學研究生院前學生、現麻省理工學院博士後研究員SY Frank Zhu 領導。趙使用超純氬氣中的無空氣低溫晶體操縱方法，在銅酸鉍鍶鈣銅氧化物的兩個極薄層之間設計了一個乾淨的界面，綽號為BSCCO（“bisco”）。BSCCO 被認為是一種「高溫」超導體，因為它在大約-288 華氏度時開始超導——按照實際標準來說非常冷，但在超導體中卻高得驚人，通常必須冷卻到-400 華氏度左右。

趙先將BSCCO 分成兩層，每層都是人類頭髮絲寬度的千分之一。然後，在-130 度的溫度下，他將兩層以45 度扭曲的方式堆疊在一起，就像冰淇淋三明治和歪斜的晶圓一樣，在脆弱的界面處保留了超導性。

研究小組發現，可以在沒有阻力的情況下透過界面的最大超電流根據電流方向的不同而不同，該團隊還展示了透過反轉這種極性對界面量子態進行電子控制。這種控制有效地使他們能夠製造出可切換的高溫超導二極體——這是基礎物理學的一個演示，有一天可以將其納入計算技術，例如量子位元。

「這是研究拓樸相的起點，其特點是量子態不受缺陷影響，」趙說。

編譯來源：ScitechDaily