利用二維量子材料,荷蘭科學家製造出無磁場介入的單向超導電路

作者 | 發布日期 2022 年 04 月 28 日 15:50 | 分類 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


如果 20 世紀末至今是半導體技術的天下,那麼 21 世紀末將由超導體稱霸。物理學家最近成功在不添加磁場前提下,開發出長期以來被認為不可能存在的單向超導電路,電子就像只能沿著單向道行駛的車輛,讓製造無能耗電子電路願景又更近了一步。

想像一下 3C 設備不管如何使用都不會過熱,這不是魔術,而是有機會在未來成真的真實超導現象。超導與物理學運作方式背道而馳,一般當電流沿導線流動時,內部電子會遇到電阻並以熱能形式丟失電能,這就是電子產品使用一段時間後發燙的主要原因。

但當某些導電材料冷卻至接近絕對零度時(或超導臨界溫度)時,材料電阻消失了,這種超導性現象最早由荷蘭物理學家海克·卡末林·昂內斯(Heike Kamerlingh Onnes)於 1911 年發現,並困擾了整個 20 世紀包括包括諾貝爾獎得主在內的許多科學家。

在超導材料中,原本獨善其身的電子開始尋找伙伴,與另一個電子結合形成庫柏對(Cooper pair),持續不斷地在零電阻材料中流動,但少了阻力,便又難以讓超導電路中的電子只沿單一方向行進(除非引導磁場介入)。

然而荷蘭台夫特理工大學(TU Delft)奈米科學家 Mazhar Ali 團隊,在不額外添加磁場的前提下成功製造出單向超導電路,這就像發明一種特殊類型的冰:一方面具零摩擦力,另一方面又具不可克服的摩擦力。

研究人員使用 Nb3Br8 金屬製作了極薄的約瑟夫森接面,像餡料一樣夾在兩層超導體麵包之間,結果發現 Nb3Br8 薄片變得越來越導電,最後以新穎方式調節兩層超導體之間的耦合,形成極類似二極體的單向超導體。

這不是物理學家第一次開發單向超導電路,但以往通常需要添加磁場,導致操作過程更加複雜。雖然 Mazhar Ali 團隊也不完全了解為何 Nb3Br8 金屬薄片出現這種效果,也超越目前科學家對單向超導的理解範圍,顯然還需要更多基礎研究來揭開隱藏其中的新物理學。

對於夢想使用超導體電子產品的人來說,單一方向輸送電力是極為誘人的成果,若能以超導體代替傳統半導體,可因此節省多達 10% 能源儲備需求。

雖然團隊還需想辦法能否讓裝置在高於 -160℃ 的溫度中運行,但釐清這種新約瑟夫森接面作用機制,最終可能改變各種技術應用的遊戲規則。Mazhar Ali 說,如果 20 世紀末至今是半導體技術的天下,那麼 21 世紀末將由超導體稱霸

新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(首圖來源:台夫特理工大學/phys.org