今天的计算机消耗大量电力，引发了人们对技术对气候影响的担忧。超导电子技术的突破可以显着降低电费，同时还可以使计算机运行得更快。
超导现象于 1911 年由荷兰物理学家Kamerlingh Onnes首次发现，指的是电流通过零电阻材料的状态。然而，只有少数材料表现出这种特性，而且通常只有在它们被冷却到极低的温度时才会出现。
尽管如此，这种现象具有许多实际应用，并且是从 MRI 扫描仪到聚变反应堆等所有领域的关键要素。它也引起了计算机科学家的注意，他们认为它不仅可以降低服务器场和超级计算机的电费，而且还可能使它们比当今基于半导体的系统运行得更快。
问题是超导体是他们自身成功的牺牲品。大多数现代电子产品的基本要求是能够使电流沿一个方向流动而不是另一个方向。超导体完全没有电阻意味着这是不可能的，因此很难用它们创建有效的电路。
不过，由一个国际研究团队设计的一种新的超导元件很快就会改变这种状况。该团队创造了他们所谓的约瑟夫森二极管，当电流沿一个方向流过它时它是超导的，当它流入另一个方向时提供电阻。
“以前只能使用半导体才能实现的技术现在可以通过使用这种构件的超导体制造，”荷兰代尔夫特理工大学的 Mazhar Ali在新闻稿中说。 “如果说 2 0 世纪是半导体的世纪，那么 21 世纪可以成为超导体的世纪。”
这个名字来自约瑟夫森效应，它描述了一种量子现象，即使没有向系统施加电压，电流也会在被薄绝缘层隔开的两个超导体之间流动。这些设备被称为约瑟夫森结，是使用超导量子比特的量子传感器和量子计算机的关键组件。
研究人员的创新是用具有不同寻常特性的二维量子材料替换约瑟夫森结中的绝缘层。结果是，当电流沿一个方向施加到设备上时，它是超导的，但当电流沿相反方向流动时，它就不是了。他们在Nature上的一篇论文中描述了这种新设备。
其他研究人员此前曾设法通过施加强大的磁场使超导电流沿一个方向流动。但是这些很难精确应用，并且在小型化电子电路中使用是不切实际的。另一方面，新设备可以为各种用例打开大门。 “你可以想象在低温下非常酷的设备应用，”阿贡国家实验室的物理学家 Anand Bhattacharya 告诉大众科学。
从理论上讲，该设备可以用超导电路制造计算机，由于缺乏电阻，它比传统电路消耗的能量要少得多。此外，阿里表示有可能创建以太赫兹速度运行的处理器，比现在的芯片快 300 到 400 倍。
大多数超导体（包括本研究中使用的超导体）的主要限制是它们需要冷却到接近绝对零，这是一个困难且昂贵的过程。因此，该团队的下一步将是看看他们是否可以使用更新的高温超导体实现相同的行为。这些只需要冷却到相对温和的 -321华氏度，这可以使用液氮而不是更复杂的低温设备来实现。
这些也是实验设备，因此尚不清楚以计算机芯片所需的规模大规模生产它们有多容易。但它仍然是一个令人印象深刻的突破，第一次让超导的前景触手可及。
图片来源：代尔夫特理工大学