【導讀】能耗問題一直是制約器件性能提升的關鍵因素。11月28日，一項發(fā)表于《自然·物理》雜志的研究成果引起了科學界的廣泛關注——中國科學家成功研發(fā)出了厚度僅為頭發(fā)絲七百分之一的量子超導二極管，這一突破性技術能夠在液氮溫區(qū)實現(xiàn)無能量損耗的高效工作，整流效率高達100%，并具備優(yōu)異的量子抗噪特性。
超導二極管的革命性突破
在北京量子信息科學研究院的高溫超導實驗室內，研究人員制備出了長寬各幾十微米、厚度僅100納米的量子超導二極管。這一微觀尺度下的創(chuàng)新器件，正為下一代超導電子學器件的發(fā)展奠定堅實基礎。
傳統(tǒng)的二極管作為電子電路中的基本元器件，主要功能是將交流電轉換為單向流動的直流電。然而，由常規(guī)半導體材料制成的二極管存在固有電阻，在工作過程中會因發(fā)熱導致能量損耗，這一直是電子器件領域亟待解決的難題。
超導材料因其獨特的零電阻特性，被視為解決這一問題的理想選擇。但以往的超導二極管在特定電流強度與外部磁場作用下，其“0”態(tài)和“1”態(tài)分別對應零耗散態(tài)和有耗散態(tài)，導致器件在一半工作狀態(tài)下仍存在能量損耗。
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圖為中國科學家研發(fā)的“0”態(tài)和“1”態(tài)都無能耗的新型超導二極管——量子超導二極管。（研發(fā)團隊供圖）
量子超導二極管的技術原理
新研發(fā)的量子超導二極管徹底改變了電流傳輸方式。北京量子院兼聘研究員、清華大學物理系副教授張定解釋道：“電子在量子超導二極管內部運動時，不論在‘0’態(tài)還是‘1’態(tài)，都是兩兩‘牽手跑’，從而實現(xiàn)能量的完全零耗散。”
這種獨特的電子配對運動機制，有效彌補了普通超導二極管中單個電子因無序運動而碰撞產熱的問題，同時顯著提升了器件的抗噪能力，確保了信號的高質量轉換。
技術優(yōu)勢與應用前景
與以往的超導二極管相比，這一新型器件展現(xiàn)出多方面的顯著優(yōu)勢：
工作溫度要求大幅降低：此前的超導二極管需要在液氦溫區(qū)（零下269攝氏度）的極端條件下工作，并需施加特定磁場。而新型量子超導二極管在液氮溫區(qū)（零下196攝氏度）即可充分發(fā)揮效能，這大大降低了實際應用的難度和成本。
能耗表現(xiàn)卓越：該器件實現(xiàn)了在兩種狀態(tài)下均無能量損耗的理想特性，整流效率達到100%，為開發(fā)微波頻段無能耗邏輯電路提供了全新的技術路徑。
穩(wěn)定性和良品率提升：據北京量子院副研究員朱玉瑩介紹，團隊開發(fā)的低溫器件制備技術還能實現(xiàn)超導二極管穩(wěn)定性和良品率的大幅提升，為產業(yè)化應用掃除了障礙。
在應用方面，量子超導二極管具有廣闊的前景。張定研究員指出：“在量子計算機中，超導二極管可作為量子邏輯電路的重要組件。在零功耗狀態(tài)下完成信號噪音的過濾，能使輸入信號變得更‘干凈’，這對于量子計算的精確性至關重要。”
業(yè)界專家普遍認為，這一成果是超導電子學器件從實驗室走向產業(yè)化的重要里程碑。它不僅為新一代超導電子器件的開發(fā)開辟了道路，還可能對未來低功耗計算、量子信息技術乃至整個電子產業(yè)產生深遠影響。
隨著全球對節(jié)能減排和高效計算需求的日益增長，這種能夠在液氮溫區(qū)實現(xiàn)零能耗工作的量子超導二極管，有望在不久的將來為信息技術領域帶來革命性的變革。
