原子核外是帶負(fù)電的粒子，稱為電子，可以從一個(gè)原子流到另一個(gè)原子，這種運(yùn)動(dòng)就是電。
在某些材料中，電子與原子核緊密結(jié)合，不容易流動(dòng)——這些材料是絕緣體。在其他原子中，如銅和銀，電子的束縛很松，可以很容易地從一個(gè)原子移動(dòng)到另一個(gè)原子——這些都是導(dǎo)體。
半導(dǎo)體是介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料，硅是一種常用的半導(dǎo)體。
“如果20世紀(jì)是半導(dǎo)體的世紀(jì)，那么21世紀(jì)可以成為超導(dǎo)體的世紀(jì)?！?/p>
我們依靠導(dǎo)體和半導(dǎo)體來傳輸電能，例如，我們用銅線將電從發(fā)電廠送到家中，用硅芯片控制其在電子設(shè)備中的移動(dòng)。
所有導(dǎo)體和半導(dǎo)體都至少在某種程度上抵抗電子的流動(dòng)。這意味著，每次電子從一個(gè)原子移動(dòng)到另一個(gè)原子時(shí)，都會(huì)有一點(diǎn)能量以熱量的形式損失。
這些微小的能量損失累積起來：美國發(fā)電廠約5%的電力從未送到人們的家中。與此同時(shí)，在我們的設(shè)備中，過熱限制了處理器的工作速度，并可能導(dǎo)致程序崩潰。
超導(dǎo)體
1911年，一位荷蘭物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)那闆r下，一些材料在電子從一個(gè)原子移動(dòng)到另一個(gè)原子時(shí)不會(huì)失去任何能量。這些被稱為超導(dǎo)體，其中一個(gè)例子是鋁冷卻到-271攝氏度（-457華氏度）。
如果我們可以用超導(dǎo)體代替導(dǎo)體或半導(dǎo)體，我們的電子設(shè)備速度可以提高數(shù)百倍，而不會(huì)因過熱而浪費(fèi)能源，我們每年可以節(jié)省數(shù)十億美元的電力傳輸損失。
超導(dǎo)體的電子從一個(gè)原子移動(dòng)到另一個(gè)原子時(shí)不會(huì)損失任何能量。
然而，一個(gè)主要問題是，通過超導(dǎo)體的電流在兩個(gè)方向上都沒有阻力。
對于大多數(shù)應(yīng)用來說，我們需要能夠?qū)㈦娏餮匾粋€(gè)方向從a點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)。例如，在20世紀(jì)70年代，IBM的研究人員確定，除非有人發(fā)現(xiàn)了單向超導(dǎo)性，否則我們永遠(yuǎn)無法在計(jì)算機(jī)中使用超導(dǎo)體。
利用磁場引導(dǎo)電流通過超導(dǎo)體是可能的，但在納米尺度上很難控制。這大大限制了超導(dǎo)體的應(yīng)用——今天，它們主要用于MRI機(jī)器和磁懸浮列車。
發(fā)現(xiàn)
德爾夫特大學(xué)的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)完成了看似不可能的任務(wù)，即在不使用磁鐵的情況下，讓電流沿一個(gè)方向流過超導(dǎo)體。他們稱之為“約瑟夫森二極管”
關(guān)鍵的設(shè)計(jì)是使用二維材料層，即只有一個(gè)原子厚，具有內(nèi)置電磁場。然后將這種材料（稱為Nb3Br8）夾在超導(dǎo)體（稱為NbSe2）的2D層之間。
“以前只能使用半導(dǎo)體的技術(shù)現(xiàn)在有可能用超導(dǎo)體制造?！?/p>
當(dāng)電流施加到這個(gè)三明治上時(shí)，電子在一個(gè)方向上流動(dòng)時(shí)不會(huì)遇到電阻，但在相反的方向上，它們會(huì)遇到更多的電阻，大約和正常導(dǎo)體一樣大。
研究人員還不確定他們的二極管是如何工作的——“人們有一個(gè)粗略的想法，但嚴(yán)格的理論還不存在?！?/p>
阿里說：“以前只可能使用半導(dǎo)體的技術(shù)，現(xiàn)在有可能使用這種積木來制造超導(dǎo)體。這包括速度更快的計(jì)算機(jī)，例如速度高達(dá)太赫茲的計(jì)算機(jī)，比我們現(xiàn)在使用的計(jì)算機(jī)快300到400倍?！?/p>
接下來的步驟
無磁體的單向超導(dǎo)體是一項(xiàng)重大突破，但在其發(fā)現(xiàn)能夠在實(shí)驗(yàn)室外發(fā)揮作用之前，圖代爾夫特團(tuán)隊(duì)仍有許多障礙需要克服。
一個(gè)是溫度——約瑟夫森二極管目前必須在-271 C（-455.8 F）的溫度下工作，這對于大多數(shù)應(yīng)用來說并不實(shí)用。
現(xiàn)在的計(jì)劃是用已知能在更高溫度下工作的超導(dǎo)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)——如果二極管能在-196 C（-321 F）或更高溫度下工作，冷卻可以通過液氮來處理，液氮已經(jīng)用于數(shù)據(jù)中心的熱量管理。
另一個(gè)障礙是如何擴(kuò)大生產(chǎn)。
阿里說：“雖然我們在納米設(shè)備上證明了這一點(diǎn)很好，但我們只制造了少數(shù)產(chǎn)品?！??！跋乱徊綄⑹茄芯咳绾卧谛酒洗笠?guī)模生產(chǎn)數(shù)百萬個(gè)約瑟夫森二極管?！?/p>
約瑟夫森二極管的創(chuàng)造者（從左到右）：王耀佳、阿里和吳恒。信用：TU Delft
我們無法在短期內(nèi)將手機(jī)和筆記本電腦中的芯片溫度保持在零下數(shù)百度。但是，如果圖代爾夫特團(tuán)隊(duì)能夠克服這些剩余的挑戰(zhàn)，阿里認(rèn)為二極管將用于已經(jīng)安裝了先進(jìn)冷卻系統(tǒng)的地方，例如超級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)施。
它們也可以用于服務(wù)器場，隨著越來越多的計(jì)算在云中進(jìn)行，有一天每個(gè)人都可以通過互聯(lián)網(wǎng)利用超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的能力。
