最近，有科學報道稱實現(xiàn)了世界上首個有希望的高溫超導二極管。究竟什么是二極管？為什么要用高溫超導體來做二極管？它的出現(xiàn)會為世界帶來什么樣的變化？

說到二極管，大家心目中最先想到的可能是半導體。的確，現(xiàn)代計算機的核心就是它的半導體芯片，芯片的關(guān)鍵在于大規(guī)模的集成電路，集成電路中最小的單元，就叫做二極管。因為二極管是電子公路的“單行道”，通過控制二極管的“通”與“不通”，就能定義二進制里的“1”和“0”，這是一切邏輯運算的基石。

半導體二極管為什么能實現(xiàn)電子“單行道”呢？因為它由兩種不同的半導體組合而成，一種是以帶正電的空穴作為載流子的半導體，叫做P型半導體；另一種是以帶負電的電子作為載流子的半導體，叫做N型半導體，它們一起構(gòu)成的結(jié)構(gòu)叫做“半導體PN結(jié)”。我們給這個PN結(jié)加正向電壓，那么空穴載流子和電子載流子就會同時向結(jié)區(qū)移動，讓結(jié)區(qū)越來越小，實現(xiàn)導通；如果加反向電壓，那么空穴載流子和電子載流子朝反向移動，結(jié)果就是結(jié)區(qū)越來越大，電流不導通了。所以二極管最大的特點，就是只允許載流子單向?qū)?，就像一個小小的開關(guān)一樣，一旦電壓反向，開關(guān)就自動斷開。

當然，集成電路里二極管已經(jīng)無法用肉眼直接看清楚了。如果你家里還有半導體收音機，你可以打開看到里面的電路板，上面就有插著的二極管。只是，半導體二極管雖然很方便，但畢竟是半導體，有著很大的電阻，所以即便在導通的時候，也要面臨發(fā)熱等能量耗散問題。這個時候，你就要關(guān)心電腦的CPU溫度，是不是溫度太高，電腦就變慢了？

有沒有辦法盡可能降低計算機的能耗問題？其中一個可能的答案就是，用超導體來做計算機。注意，這里的超導計算機，并不是大家常說的超導量子計算機，而是和半導體計算機類似的基于數(shù)字邏輯電路的計算機。以超導計算機、超導集成電路等為目標的技術(shù)叫做“超導電子學”，其基石就是超導二極管。

超導體在特定溫度下電阻會降為零，這個低溫既是它的應(yīng)用劣勢，也是它的優(yōu)勢。因為在足夠低的溫度下，能量耗散會大幅降低，電子器件的穩(wěn)定性會大大提升，而且零電阻就意味著不發(fā)熱，完美把電腦CPU“燙手”的問題解決了。但是超導體電阻為零，那么把兩塊超導體拼一塊，不就短路了嗎？電流都暢通無阻了，還談什么二極管效應(yīng)？

別急，科學家們有辦法。為了說清楚超導二極管的原理，我們先要講一個超導體的特殊效應(yīng)——約瑟夫森效應(yīng)。約瑟夫森是一位英國的科學家，在他二十幾歲讀研究生的時候，就提出了超導體的隧道效應(yīng)。你把兩塊超導體拼在一起，中間有個很薄的絕緣體或金屬夾層，在不加電壓的情況下，就會發(fā)現(xiàn)這個結(jié)構(gòu)存在隧道電流——電子從一塊超導體跑到另一塊超導體里面去了。如果你加上電壓，就會發(fā)現(xiàn)隧道電流還存在強度調(diào)制，電流大小隨電壓振蕩，這個振蕩對外磁場的響應(yīng)極其敏感。

確切來說，超導隧道效應(yīng)是超導體內(nèi)部庫伯電子對的相位干涉造成的結(jié)果。承載超導體電流的是一對對電子，叫做“庫伯對”，對于同一塊超導體而言，所有庫伯對的相位都是一樣的，它們以相同的節(jié)奏運動。但是一旦隧穿到另一個超導體，就會遇到另外一群相位不一樣的庫伯對，于是兩者之間就發(fā)生了“群毆”效應(yīng)，在相位干涉下形成了強弱變化的隧穿電流。

早在2007年，科學家就從理論上提出了利用約瑟夫森效應(yīng)來構(gòu)造超導二極管的方案。超導體也同樣具有空穴型和電子型兩類，把它們拼在一起，也能構(gòu)造類似PN結(jié)的結(jié)構(gòu)。當電流正常傳導時，表現(xiàn)出無耗散的超導電流，也就是沒有電阻；當電流反向傳導時，則表現(xiàn)出有耗散的普通電流，也就是存在電阻。超導二極管還可以細分為兩類，一類需要依賴電壓的歷史和電荷積累才能實現(xiàn)；另一類可能需要依賴加磁場才能實現(xiàn)。不同類型的超導二極管，有多種可能的實現(xiàn)方案。

超導二極管說起來容易，做起來難。直到2020年，日本京都大學的科學家才在超晶格超導體中通過外加磁場首次實現(xiàn)超導二極管現(xiàn)象。2022年，荷蘭代爾夫特理工大學的科學家首次實現(xiàn)了無外場的約瑟夫森二極管效應(yīng)。但是，因為他們采用的傳統(tǒng)超導體臨界溫度太低，超導二極管工作溫度都太低了，大約是0.02K(-273.13℃)左右，必須采用昂貴的稀釋制冷機才能用，大規(guī)模應(yīng)用很難實現(xiàn)。

2023年，美國哈佛大學和中國清華大學的研究人員采用了相同的實驗方案，把兩個具有單層結(jié)構(gòu)單元的銅氧化物高溫超導體拼在一起，互相轉(zhuǎn)動了45°左右的角度，成功觀測到了二極管效應(yīng)。這里采用的高溫超導材料的臨界溫度在80K(-193.13℃)左右，最大隧道電流出現(xiàn)在30K(-243.13℃)左右，極大提升了超導二極管的使用溫度。超導二極管的應(yīng)用展露了新的希望。

基于超導二極管等元器件的超導集成電路，其加工工藝和半導體電路是幾乎兼容的，一旦實用化，可以極快地推動產(chǎn)業(yè)革命。相比半導體集成電路，超導集成電路的運行速率從GHz提升到了百GHz，運行功耗從10-14W降低到了10-19W。未來，超導數(shù)字計算機如果實現(xiàn)，將搭建出不同于超導量子計算機的另一條高性能、低能耗的超級計算之路。

作者：中國科學院物理研究所羅會仟