高温超导二极管已经实现？制造超导二极管有多难！

作者 | 罗会仟 中国科学院物理研究所

最近，有科学报道称实现了世界上首个有希望的高温超导二极管。究竟什么是二极管？为什么要用高温超导体来做二极管？它的出现会为我们世界带来什么样的变化？今天我们一起聊聊高温超导二极管的故事。

说到二极管，大家心目中最先想到的就是半导体了。的确，现代计算机的核心就是它的半导体芯片，芯片的关键在于大规模的集成电路，集成电路中最小的单元，就叫做二极管。因为二极管是电子公路的“单行道”，通过控制二极管的“通”与“不通”，就能定义二进制里的“1”和“0”，这是一切逻辑运算的基石。

半导体二极管的原理示意图

半导体二极管为什么能实现电子“单行道”呢？因为它由两种不同的半导体组合而成，一种是以带正电的空穴作为载流子的半导体，叫做P型半导体；另一种是以带负电的电子作为载流子的半导体，叫做N型半导体，它们一起构成的结构叫做“半导体PN结”。我们给这个PN结加正向电压，那么空穴载流子和电子载流子就会同时向结区移动，让结区越来越小，实现导通；如果加反向电压，那么空穴载流子和电子载流子朝反向移动，结果就是结区越来越大，电流不导通了。所以二极管最大的特点，就是只允许载流子单向导通，就像一个小小的开关一样，一旦电压反向，开关就自动断开。

当然，集成电路里二极管已经无法用肉眼直接看清楚啦。如果你家里还有半导体收音机，你可以打开看到里面的电路板，上面就有插着的二极管。只是，半导体二极管虽然很方便，但毕竟是半导体，有着很大的电阻，所以即便在导通的时候，也要面临发热等能量耗散问题。这个时候，你就要关心电脑的CPU温度了，是不是温度太高了，电脑就变慢啦？

有没有办法尽可能降低计算机的能耗问题呢？其中一个可能的答案就是，用超导体来做计算机。注意，这里的超导计算机，并不是大家常说的超导量子计算机，而是和半导体计算机类似的基于数字逻辑电路的计算机。以超导计算机、超导集成电路等为目标的技术叫做“超导电子学”，其基石就是超导二极管。

超导体在特定温度下电阻会降为零，这个低温即是它的应用劣势，也是它的优势。因为在足够低温度下，能量耗散会大幅降低，电子器件的稳定性会大大提升，而且零电阻就意味着不发热，完美把电脑CPU“烫手”的问题解决了。但是等等，超导体电阻为零，似乎把两块超导体拼一块儿，不就短路了吗？电流都畅通无阻了，还谈什么二极管效应？

别急，科学家们有办法。为了说清楚超导二极管的原理，我们先要讲一个超导体的特殊效应——约瑟夫森效应。约瑟夫森是一位英国的科学家，在他二十几岁还在读研究生的时候，就提出了超导体的隧道效应。你把两块超导体拼在一起，中间有个很薄的绝缘体或金属夹层，在不加电压的情况下，就会发现这个结构存在隧道电流——电子从一块超导体跑到另一块超导体里面去了！如果你加上电压，就会发现隧道电流还存在强度调制，类似光的夫琅禾费干涉一样，电流大小随电压振荡了起来！这个振荡对外磁场的响应还极其敏感。

超导体的约瑟夫森效应

确切来说，超导隧道效应是超导体内部库伯电子对的相位干涉造成的结果。承载超导体电流的是一对对电子，叫做“库伯对”，对于同一块超导体而言，所有库伯对的相位都是一样的，它们以相同的节奏运动。但是一旦隧穿到另一个超导体，就会遇到另外一群相位不一样的库伯对，于是两者之间就发生了“群殴”效应，在相位干涉下形成了强弱变化的隧穿电流。

早在2007年，科学家就从理论上提出了利用约瑟夫森效应来构造超导二极管的方案。超导体也同样具有空穴型和电子型两类，把它们拼在一起，也能构造类似PN结的结构。当电流正常传导时，表现出无耗散的超导电流，也就是没有电阻；当电流反向传导时，则表现出有耗散的普通电流，也就是存在电阻。超导二极管还可以细分为两类，一类是需要依赖电压的历史和电荷积累才能实现；另一类是可能需要依赖加磁场才能实现。不同类型的超导二极管，有多种可能的实现方案。

超导二极管说起来容易，做起来难！直到2020年，日本京都大学的科学家才在超晶格超导体中通过外加磁场首次实现超导二极管现象。2022年，荷兰代尔夫特理工大学的科学家首次实现了无外场的约瑟夫森二极管效应。但是，因为他们采用的传统超导体临界温度太低，超导二极管工作温度都太低了，大约是0.02 K（-273.13℃）左右。必须采用昂贵的稀释制冷机才能用，大规模应用很难实现。

2023年，美国哈佛大学和中国清华大学的研究人员采用了相同的实验方案，把两个具有单层结构单元的铜氧化物高温超导体拼在一起，互相转动了45°左右的角度，成功观测到了二极管效应。这里采用的高温超导材料的临界温度在80 K（-193.13℃）左右，最大隧道电流出现在30 K（-243.13℃）左右，极大提升了超导二极管的使用温度。超导二极管的应用展露了新的希望！

高温超导二极管的实物图

基于超导二极管等元器件的超导集成电路，其加工工艺和半导体电路是几乎兼容的，一旦可以实用化，可以极快地推动产业革命。相比半导体集成电路，超导集成电路的运行速率从GHz提升到了百GHz，运行功耗从10-14W降低到了10-19W。未来，超导数字计算机如果实现，将搭建出不同于超导量子计算机另一条高性能、低能耗的超级计算之路！

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者名称：罗会仟

审核：张双南 中国科学院高能物理研究所 研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司