近期，有科学报道称达成了世界上首个有期望的高温超导二极管。到底什么是二极管？为何要用高温超导体来做二极管？它的出现会为大家世界带来哪种变化？今天大家一块聊聊高温超导二极管的故事。

说到二极管，大伙心目中最早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，芯片的重点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。由于二极管是电子公路的“单行道”，通过控制二极管的“通”与“不通”，就能概念二进制里的“1”和“0”，这是所有逻辑运算的基石。

半导体二极管的原理示意图

半导体二极管为何能达成电子“单行道”呢？由于它由两种不一样的半导体组合而成，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，它们一块构成的结构叫做“半导体PN结”。大家给这个PN结加正向电压，那样空穴载流子和电子载流子就会同时向结区移动，让结区愈加小，达成导通；假如加反向电压，那样空穴载流子和电子载流子朝反向移动，结果就是结区愈加大，电流不导通了。所以二极管最大的特征，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没办法用肉眼直接看了解啦。假如你家还有半导体收音机，你可以打开看到里面的电路板，上面就有插着的二极管。只不过，半导体二极管虽然很便捷，但毕竟是半导体，有着非常大的电阻，所以即使在导通的时候，也要面临发热等能量耗散问题。这时，你就要关心电脑的CPU温度了，是否温度太高了，电脑就变慢啦？

有没方法尽量减少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，并非大伙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的的技术叫做“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。由于在足够低温度下，能量耗散会大幅减少，电子器件的稳定性会大大提高，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。但等等，超导体电阻为零，好像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，科学家们有方法。为了说了解超导二极管的原理，大家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，在他二十多大岁数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块，中间有个非常薄的绝缘体或金属夹层，在不加电压的状况下，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！假如你加上电压，就会发现隧道电流还存在强度调制，类似光的夫琅禾费干预一样，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锐。

超导体的约瑟夫森效应

确切来讲，超导隧道效应是超导体内部库伯电子对的相位干预导致的结果。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，它们以相同的步伐运动。但一旦隧穿到另一个超导体，就会遇见另外一群相位不同的库伯对，于是两者之间就发生了“群殴”效应，在相位干预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借助约瑟夫森效应来架构超导二极管的策略。超导体也同样具备空穴型和电子型两类，把它们拼在一块，也能架构类似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，一类是需要依靠电压的历史和电荷积累才能达成；另一类是可能需要依靠加磁场才能达成。不相同种类型的超导二极管，有多种可能的达成策略。

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初次达成超导二极管现象。2022年，荷兰代尔夫特理工大学的科学家初次达成了无外场的约瑟夫森二极管效应。但，由于他们使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。需要使用昂贵的稀释制冷机才可以用，大规模应用非常难达成。

2023年，美国哈佛大学和中国清华大学的研究职员使用了相同的实验策略，把两个具备单层结构单元的铜氧化物高温超导体拼在一块，互相转动了45°左右的角度，成功观测到了二极管效应。这里使用的高温超导材料的临界温度在80 K（-193.13℃）左右，最大隧道电流出目前30 K（-243.13℃）左右，很大提高了超导二极管的用法温度。超导二极管的应用展露了新的期望！

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，可以极快地推进产业革命。相比半导体集成电路，超导集成电路的运行速率从GHz提高到了百GHz，运行功耗从10-14W减少到了10-19W。将来，超导数字计算机假如达成，将搭建出不同于超导量子计算机另一条高性能、低能耗的超级计算的道路！

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

出品：中国科协科普部

监制：中国科技出版社公司、北京中科星河文化传媒公司

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