MIT研发出高效超导二极管，或将彻底改变芯片

来源:芯智讯发布时间:2023-08-081300浏览

8月8日消息，近期韩国研究人员公布的LK-99室温超导体材料研究，引发了全球的持续关注。虽然目前韩国研究团队已经撤回了论坛，并且全球各地的实验室也并未证实LK-99为室温超导体，不过其所表现出的抗磁性以及可能的低电阻特性，为室温超体材料的研究带来了一个新的方向。近日，麻省理工学院（MIT）的一个研究小组开发出了一种超导二极管器件（低温超导器件），他们说这种器件将提高电子产品的能源和热效率，相关研究已经发表在了《Physical Review Letters》的在线期刊上。

与LK-99（仍在经历混乱的复制和同行评审过程）一样，麻省理工学院设计的超导二极管（一种开关器件）仍处于设计初期。然而，即便如此，该论文的主要作者Jagadeesh Moodera等人表示，在承载电流（和防止损耗）方面，该二极管的效率已经是以前的二极管架构的两倍，并且有足够的设计空间来改善其特性。

它将彻底改变芯片，甚至可能影响量子计算。事实上，这一发展是一个偶然的发现，因为MIT的研究团队研究了拓扑量子比特的构建块之一的“马约拉纳费米子”(/maɪəˈrɑːnə ˈfɛərmiːɒn/)，这是一种尚未得到证实的量子比特设计。该研究团队很快意识到他们受马约拉纳费米子启发的超导二极管工作可以很容易地转移到经典（即非量子）电路领域。

二极管是任何芯片的关键基础部分，也是电路设计不可或缺的一部分。虽然晶体管用于将输入信号从低电阻电路放大到芯片内的高电阻电路，而二极管通常负责将交流电（AC）转换为直流电（DC）。而且二极管还具有在一个方向上单向传导电流的特性，它们的单向特性是通过两种类型的电荷载流子（电子和空穴）的导电行为的差异来实现的。这使得它们在电子产品中具有广泛的应用。

由于芯片设计受到电损耗产生的热量的强烈限制（这是一个瓶颈，晶体管设计和以有限的方式处理这些问题的新冷却技术越来越复杂），所以无损二极管在改善计算和热效率方面的好处不应被低估。

超导二极管也可用于传感器和其他设备。但是由于超电流只有一种类型的载流子——所谓的库珀对中的电子——实现超导二极管更加困难。2020 年，研究人员在由层状材料制成的超导器件中展示了二极管效应，该器件需要精确堆叠、强自旋-轨道耦合和独特形式的库珀配对。现在，MIT研究团队所研发的超导二极管，不仅更有效，设计也更简单。

该团队的二极管设计由一条铌或钒的细条组成。与大多数单元素超导体不同，铌和钒都是II型超导体，这意味着施加的适当强度的磁场会诱发超电流涡旋的形成，这些漩涡都以相同的意义旋转。Moodera及其同事施加了垂直于其设备表面的这种场，在条带内引起涡流，以及沿着条带边缘的超电流（称为迈斯纳电流）。从上面看，一个边沿电流向右流动（在“向前”方向），另一个向左流动（在“反向”方向）。然后，研究人员在条带的末端发送外部电流 - 正向和反向 - 并测量每种情况下的净电流。

△新的超导二极管设计由铁磁绝缘体（橙色）下方的超导体条（蓝色）组成。来自铁磁体的磁场（绿色箭头）沿超导体边缘感应超电流，这会影响施加电压时流动的净电流（红色箭头）。与反向相比，该净电流在正向方向上更大。

原则上，反向传播的边沿电流是相等的，因此它们对净电流的贡献应该抵消。但在实践中，制造条带不可避免地会导致两个边缘之间的结构差异。MIT的研究小组发现，这种偶然的不对称性足以导致二极管效率达到20%，定义为正向和反向净电流之间的差值除以总和。研究人员发现，他们可以通过故意在其中一个边缘添加凹口来将二极管效率提高到50%。但是实际上他们获得了65%的效率，这是迄今为止看到的最大值，通过用铁磁绝缘体硫化铕覆盖层的固有磁场代替施加的磁场。

MIT的研究小组表明，二极管器件边缘之间的微小差异可以优化（通过添加锯齿状边缘或应用其他变形）。这就是为什么设计仍然有待优化的原因：可能的设计变化量是巨大的，只有还有很多时间来找到最好的非对称配置。

这些研究表明，即使是材料的微观差异也会导致不成比例的结果。这些二极管还具有超导特性，例如迈斯纳效应和锁定预先存在的磁场的能力（称为磁通销）。

Philip Moll（德国马克斯普朗克物质结构与动力学研究所所长，未参与这项研究）在接受SciTechDaily采访时表示，MIT团队的论文展示了在单元素超导体中观察到大二极管效应具有重要意义，因为它们的简单性将使应用更容易，更具可扩展性。“Moodera及其同事工作的美妙之处在于，他们甚至没有怎么尝试就获得了创纪录的效率。”不过，他也指出“他们的结构远未优化。

至关重要的是，该团队表示其超导二极管坚固耐用，能够在很宽的温度范围内工作，同时可能为新技术和设计打开大门。工程师们表示，这些二极管的设计简单且兼容，易于扩展到数百万个二极管可以在单个硅晶圆上生产。

编辑：芯智讯-浪客剑

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