麻省理工研發(fā)出高效超導(dǎo)二極管，或?qū)氐赘淖冃酒?/h1>
發(fā)布人：芯智訊
時(shí)間：2023-08-08
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8月8日消息，近期韓國(guó)研究人員公布的LK-99室溫超導(dǎo)體材料研究，引發(fā)了全球的持續(xù)關(guān)注。雖然目前韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)撤回了論壇，并且全球各地的實(shí)驗(yàn)室也并未證實(shí)LK-99為室溫超導(dǎo)體，不過(guò)其所表現(xiàn)出的抗磁性以及可能的低電阻特性，為室溫超體材料的研究帶來(lái)了一個(gè)新的方向。近日，麻省理工學(xué)院（MIT）的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)出了一種超導(dǎo)二極管器件（低溫超導(dǎo)器件），他們說(shuō)這種器件將提高電子產(chǎn)品的能源和熱效率，相關(guān)研究已經(jīng)發(fā)表在了《Physical Review Letters》的在線期刊上。
與LK-99（仍在經(jīng)歷混亂的復(fù)制和同行評(píng)審過(guò)程）一樣，麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)的超導(dǎo)二極管（一種開(kāi)關(guān)器件）仍處于設(shè)計(jì)初期。然而，即便如此，該論文的主要作者Jagadeesh Moodera等人表示，在承載電流（和防止損耗）方面，該二極管的效率已經(jīng)是以前的二極管架構(gòu)的兩倍，并且有足夠的設(shè)計(jì)空間來(lái)改善其特性。
它將徹底改變芯片，甚至可能影響量子計(jì)算。事實(shí)上，這一發(fā)展是一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)镸IT的研究團(tuán)隊(duì)研究了拓?fù)淞孔颖忍氐臉?gòu)建塊之一的“馬約拉納費(fèi)米子” (/ma???rɑ?n? ?f??rmi??n/)，這是一種尚未得到證實(shí)的量子比特設(shè)計(jì)。該研究團(tuán)隊(duì)很快意識(shí)到他們受馬約拉納費(fèi)米子啟發(fā)的超導(dǎo)二極管工作可以很容易地轉(zhuǎn)移到經(jīng)典（即非量子）電路領(lǐng)域。
二極管是任何芯片的關(guān)鍵基礎(chǔ)部分，也是電路設(shè)計(jì)不可或缺的一部分。雖然晶體管用于將輸入信號(hào)從低電阻電路放大到芯片內(nèi)的高電阻電路，而二極管通常負(fù)責(zé)將交流電（AC）轉(zhuǎn)換為直流電（DC）。而且二極管還具有在一個(gè)方向上單向傳導(dǎo)電流的特性，它們的單向特性是通過(guò)兩種類型的電荷載流子（電子和空穴）的導(dǎo)電行為的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這使得它們?cè)陔娮赢a(chǎn)品中具有廣泛的應(yīng)用。
由于芯片設(shè)計(jì)受到電損耗產(chǎn)生的熱量的強(qiáng)烈限制（這是一個(gè)瓶頸，晶體管設(shè)計(jì)和以有限的方式處理這些問(wèn)題的新冷卻技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜），所以無(wú)損二極管在改善計(jì)算和熱效率方面的好處不應(yīng)被低估。
超導(dǎo)二極管也可用于傳感器和其他設(shè)備。但是由于超電流只有一種類型的載流子——所謂的庫(kù)珀對(duì)中的電子——實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)二極管更加困難。2020 年，研究人員在由層狀材料制成的超導(dǎo)器件中展示了二極管效應(yīng)，該器件需要精確堆疊、強(qiáng)自旋-軌道耦合和獨(dú)特形式的庫(kù)珀配對(duì)?，F(xiàn)在，MIT研究團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的超導(dǎo)二極管，不僅更有效，設(shè)計(jì)也更簡(jiǎn)單。
該團(tuán)隊(duì)的二極管設(shè)計(jì)由一條鈮或釩的細(xì)條組成。與大多數(shù)單元素超導(dǎo)體不同，鈮和釩都是II型超導(dǎo)體，這意味著施加的適當(dāng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)會(huì)誘發(fā)超電流渦旋的形成，這些漩渦都以相同的意義旋轉(zhuǎn)。Moodera及其同事施加了垂直于其設(shè)備表面的這種場(chǎng)，在條帶內(nèi)引起渦流，以及沿著條帶邊緣的超電流（稱為邁斯納電流）。從上面看，一個(gè)邊沿電流向右流動(dòng)（在“向前”方向），另一個(gè)向左流動(dòng)（在“反向”方向）。然后，研究人員在條帶的末端發(fā)送外部電流 - 正向和反向 - 并測(cè)量每種情況下的凈電流。
△新的超導(dǎo)二極管設(shè)計(jì)由鐵磁絕緣體（橙色）下方的超導(dǎo)體條（藍(lán)色）組成。來(lái)自鐵磁體的磁場(chǎng)（綠色箭頭）沿超導(dǎo)體邊緣感應(yīng)超電流，這會(huì)影響施加電壓時(shí)流動(dòng)的凈電流（紅色箭頭）。與反向相比，該凈電流在正向方向上更大。
原則上，反向傳播的邊沿電流是相等的，因此它們對(duì)凈電流的貢獻(xiàn)應(yīng)該抵消。但在實(shí)踐中，制造條帶不可避免地會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)邊緣之間的結(jié)構(gòu)差異。MIT的研究小組發(fā)現(xiàn)，這種偶然的不對(duì)稱性足以導(dǎo)致二極管效率達(dá)到20%，定義為正向和反向凈電流之間的差值除以總和。研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以通過(guò)故意在其中一個(gè)邊緣添加凹口來(lái)將二極管效率提高到50%。但是實(shí)際上他們獲得了65%的效率，這是迄今為止看到的最大值，通過(guò)用鐵磁絕緣體硫化銪覆蓋層的固有磁場(chǎng)代替施加的磁場(chǎng)。
MIT的研究小組表明，二極管器件邊緣之間的微小差異可以優(yōu)化（通過(guò)添加鋸齒狀邊緣或應(yīng)用其他變形）。這就是為什么設(shè)計(jì)仍然有待優(yōu)化的原因：可能的設(shè)計(jì)變化量是巨大的，只有還有很多時(shí)間來(lái)找到最好的非對(duì)稱配置。
這些研究表明，即使是材料的微觀差異也會(huì)導(dǎo)致不成比例的結(jié)果。這些二極管還具有超導(dǎo)特性，例如邁斯納效應(yīng)和鎖定預(yù)先存在的磁場(chǎng)的能力（稱為磁通銷）。
Philip Moll（德國(guó)馬克斯普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究所所長(zhǎng)，未參與這項(xiàng)研究）在接受SciTechDaily采訪時(shí)表示，MIT團(tuán)隊(duì)的論文展示了在單元素超導(dǎo)體中觀察到大二極管效應(yīng)具有重要意義，因?yàn)樗鼈兊暮?jiǎn)單性將使應(yīng)用更容易，更具可擴(kuò)展性。“Moodera及其同事工作的美妙之處在于，他們甚至沒(méi)有怎么嘗試就獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的效率?！辈贿^(guò)，他也指出“他們的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)未優(yōu)化。
至關(guān)重要的是，該團(tuán)隊(duì)表示其超導(dǎo)二極管堅(jiān)固耐用，能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，同時(shí)可能為新技術(shù)和設(shè)計(jì)打開(kāi)大門。工程師們表示，這些二極管的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且兼容，易于擴(kuò)展到數(shù)百萬(wàn)個(gè)二極管可以在單個(gè)硅晶圓上生產(chǎn)。
編輯：芯智訊-浪客劍
*博客內(nèi)容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀點(diǎn)，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系工作人員刪除。
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8月8日消息，近期韓國(guó)研究人員公布的LK-99室溫超導(dǎo)體材料研究，引發(fā)了全球的持續(xù)關(guān)注。雖然目前韓國(guó)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)撤回了論壇，并且全球各地的實(shí)驗(yàn)室也并未證實(shí)LK-99為室溫超導(dǎo)體，不過(guò)其所表現(xiàn)出的抗磁性以及可能的低電阻特性，為室溫超體材料的研究帶來(lái)了一個(gè)新的方向。近日，麻省理工學(xué)院（MIT）的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)出了一種超導(dǎo)二極管器件（低溫超導(dǎo)器件），他們說(shuō)這種器件將提高電子產(chǎn)品的能源和熱效率，相關(guān)研究已經(jīng)發(fā)表在了《Physical Review Letters》的在線期刊上。
與LK-99（仍在經(jīng)歷混亂的復(fù)制和同行評(píng)審過(guò)程）一樣，麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)的超導(dǎo)二極管（一種開(kāi)關(guān)器件）仍處于設(shè)計(jì)初期。然而，即便如此，該論文的主要作者Jagadeesh Moodera等人表示，在承載電流（和防止損耗）方面，該二極管的效率已經(jīng)是以前的二極管架構(gòu)的兩倍，并且有足夠的設(shè)計(jì)空間來(lái)改善其特性。
它將徹底改變芯片，甚至可能影響量子計(jì)算。事實(shí)上，這一發(fā)展是一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)镸IT的研究團(tuán)隊(duì)研究了拓?fù)淞孔颖忍氐臉?gòu)建塊之一的“馬約拉納費(fèi)米子” (/ma???rɑ?n? ?f??rmi??n/)，這是一種尚未得到證實(shí)的量子比特設(shè)計(jì)。該研究團(tuán)隊(duì)很快意識(shí)到他們受馬約拉納費(fèi)米子啟發(fā)的超導(dǎo)二極管工作可以很容易地轉(zhuǎn)移到經(jīng)典（即非量子）電路領(lǐng)域。
二極管是任何芯片的關(guān)鍵基礎(chǔ)部分，也是電路設(shè)計(jì)不可或缺的一部分。雖然晶體管用于將輸入信號(hào)從低電阻電路放大到芯片內(nèi)的高電阻電路，而二極管通常負(fù)責(zé)將交流電（AC）轉(zhuǎn)換為直流電（DC）。而且二極管還具有在一個(gè)方向上單向傳導(dǎo)電流的特性，它們的單向特性是通過(guò)兩種類型的電荷載流子（電子和空穴）的導(dǎo)電行為的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這使得它們?cè)陔娮赢a(chǎn)品中具有廣泛的應(yīng)用。
由于芯片設(shè)計(jì)受到電損耗產(chǎn)生的熱量的強(qiáng)烈限制（這是一個(gè)瓶頸，晶體管設(shè)計(jì)和以有限的方式處理這些問(wèn)題的新冷卻技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜），所以無(wú)損二極管在改善計(jì)算和熱效率方面的好處不應(yīng)被低估。
超導(dǎo)二極管也可用于傳感器和其他設(shè)備。但是由于超電流只有一種類型的載流子——所謂的庫(kù)珀對(duì)中的電子——實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)二極管更加困難。2020 年，研究人員在由層狀材料制成的超導(dǎo)器件中展示了二極管效應(yīng)，該器件需要精確堆疊、強(qiáng)自旋-軌道耦合和獨(dú)特形式的庫(kù)珀配對(duì)?，F(xiàn)在，MIT研究團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的超導(dǎo)二極管，不僅更有效，設(shè)計(jì)也更簡(jiǎn)單。
該團(tuán)隊(duì)的二極管設(shè)計(jì)由一條鈮或釩的細(xì)條組成。與大多數(shù)單元素超導(dǎo)體不同，鈮和釩都是II型超導(dǎo)體，這意味著施加的適當(dāng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)會(huì)誘發(fā)超電流渦旋的形成，這些漩渦都以相同的意義旋轉(zhuǎn)。Moodera及其同事施加了垂直于其設(shè)備表面的這種場(chǎng)，在條帶內(nèi)引起渦流，以及沿著條帶邊緣的超電流（稱為邁斯納電流）。從上面看，一個(gè)邊沿電流向右流動(dòng)（在“向前”方向），另一個(gè)向左流動(dòng)（在“反向”方向）。然后，研究人員在條帶的末端發(fā)送外部電流 - 正向和反向 - 并測(cè)量每種情況下的凈電流。
△新的超導(dǎo)二極管設(shè)計(jì)由鐵磁絕緣體（橙色）下方的超導(dǎo)體條（藍(lán)色）組成。來(lái)自鐵磁體的磁場(chǎng)（綠色箭頭）沿超導(dǎo)體邊緣感應(yīng)超電流，這會(huì)影響施加電壓時(shí)流動(dòng)的凈電流（紅色箭頭）。與反向相比，該凈電流在正向方向上更大。
原則上，反向傳播的邊沿電流是相等的，因此它們對(duì)凈電流的貢獻(xiàn)應(yīng)該抵消。但在實(shí)踐中，制造條帶不可避免地會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)邊緣之間的結(jié)構(gòu)差異。MIT的研究小組發(fā)現(xiàn)，這種偶然的不對(duì)稱性足以導(dǎo)致二極管效率達(dá)到20%，定義為正向和反向凈電流之間的差值除以總和。研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以通過(guò)故意在其中一個(gè)邊緣添加凹口來(lái)將二極管效率提高到50%。但是實(shí)際上他們獲得了65%的效率，這是迄今為止看到的最大值，通過(guò)用鐵磁絕緣體硫化銪覆蓋層的固有磁場(chǎng)代替施加的磁場(chǎng)。
MIT的研究小組表明，二極管器件邊緣之間的微小差異可以優(yōu)化（通過(guò)添加鋸齒狀邊緣或應(yīng)用其他變形）。這就是為什么設(shè)計(jì)仍然有待優(yōu)化的原因：可能的設(shè)計(jì)變化量是巨大的，只有還有很多時(shí)間來(lái)找到最好的非對(duì)稱配置。
這些研究表明，即使是材料的微觀差異也會(huì)導(dǎo)致不成比例的結(jié)果。這些二極管還具有超導(dǎo)特性，例如邁斯納效應(yīng)和鎖定預(yù)先存在的磁場(chǎng)的能力（稱為磁通銷）。
Philip Moll（德國(guó)馬克斯普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究所所長(zhǎng)，未參與這項(xiàng)研究）在接受SciTechDaily采訪時(shí)表示，MIT團(tuán)隊(duì)的論文展示了在單元素超導(dǎo)體中觀察到大二極管效應(yīng)具有重要意義，因?yàn)樗鼈兊暮?jiǎn)單性將使應(yīng)用更容易，更具可擴(kuò)展性。“Moodera及其同事工作的美妙之處在于，他們甚至沒(méi)有怎么嘗試就獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的效率?！辈贿^(guò)，他也指出“他們的結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)未優(yōu)化。
至關(guān)重要的是，該團(tuán)隊(duì)表示其超導(dǎo)二極管堅(jiān)固耐用，能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，同時(shí)可能為新技術(shù)和設(shè)計(jì)打開(kāi)大門。工程師們表示，這些二極管的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且兼容，易于擴(kuò)展到數(shù)百萬(wàn)個(gè)二極管可以在單個(gè)硅晶圓上生產(chǎn)。
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