藉由將一種古典材料替換成具有獨特量子性質的材料,科學家們已製造出一超導電路,能夠達成長久以來被視為不可能的壯舉。這項由德國、荷蘭、以及美國的研究人員所帶來的發現,翻轉了一世紀以來,對於超導電路天性的看法,以及如何能夠調整它們的電流於實際應用上。

過往的侷限

依據超導體物理而產生的低浪費、高速電路提供了很棒的機會,將超導科技帶到一個全新的等級。不幸的是,當使用普遍的電子元件,來設計超導體版本的電力時,讓這種豪不費力型式的電流如此方便的特性,也會造成無止盡的挑戰。

比如說,拿很簡單的二極體為例子。這種很基本的電子元件就像給電流的單向標誌,提供一種方法來調節、轉換、並調整電子的運動。

在超導材料中,那些電子們各自的身分模糊了,形成了稱作庫柏對(Cooper pair)的組合,讓合作關係中的每顆粒子都能夠避開更典型電流的耗能碰撞。但是在沒有通常的電阻法則作用下,科學家無法讓超導電子在單一方向上運動,因為它們總是會展現出所謂的「互易」(reciprocal)行為。

這個基本的假設,也就是超導不能違反互易性(reciprocity)(至少在沒有操控磁場下是不行的),從開始研究超導領域起,就一直持續下去著。坦白地說,這是一項工程師們無法跨過的阻礙。

研究人員在一記者會上解釋他們的新研究:「在 70 年代,在 IBM 的科學家嘗試著超導電腦的想法,但必須停止嘗試。在他們關於這個主題的研究中,IBM 提到,在沒有非互易超導性下,在超導體上運行電腦是不可能的。」

曙光誕生

隨著一項實驗的出現,這些先前的努力現在可能可以再度重試。這項實驗顯示出,一種具有量子成分的接面(junction)甚至能夠導引庫伯對沿同一方向運動。

約瑟夫森接面(Josephson junction)是將一對超導體材料分開的細條非超導材料。如果這個材料夠細的話,電子就能夠直接穿過它們而無任何阻礙。

在特定的細度之下,這個「超電流」是沒有電壓的。在臨界點下,電壓出現,快速地以波的方式震盪,可以被應用於例如量子電腦之中。

過去,透過外部的磁場,是可能確保此電流只會在一個方向上流動的。但是研究團隊發現,若是他們使用金屬鈮(niobium)的二維結構,他們就可以擺脫磁場,並僅依靠該材料的量子性質。

主要研究者,荷蘭台夫特理工大學(Delft University of Technology)的物理學家馬扎爾·阿里副教授(Mazhar Ali)說:「我們能夠剝掉此 Nb3Br8 的一些原子層,然後製造出非常非常薄的三明治結構,大約只有幾層原子層的厚度。這是產生約瑟夫森二極體所需的,而若使用正常的三維材料,這是不可能做到的。」

未來的挑戰

研究人員很有信心,他們已經具備所有的條件,來為他們的發現提供一個堅實的例子。但是,在我們可以在下一代電腦的核心中看到半導體前,仍然有很長的一條路要走。

其中一個,就是超導現象通常只出現在溫度冷卻到稍微高於絕對零度的材料中。有些超導材料雖然可以忍受溫暖的溫度,但是這只有在它們被置於超高壓下才會發生。

知道由這些新量子屏障所產生的約瑟夫森接面,是如何在高溫及高壓下運作,這最終可能會顛覆以往,減少非常有效率的超級電腦中所需要的儀器數量,而這在我們這個世界上還未看到。

阿里副教授說:「這會影響所有類型的社會與科技應用。如果 20 世紀是半導體的世紀的話,21 世紀可能會成為超導體的世紀。」

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參考資料:

  1. McRae, M., (2022, April 27). Physicists Developed a Superconductor Circuit Long Thought to Be Impossible. ScienceAlert
  2. Wu, H. et al., (2022, April 27). The field-free Josephson diode in a van der Waals heterostructure. Nature. doi.org/10.1038/s41586-022-04504-8
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/a-feature-of-superconducting-circuits-thought-impossible-has-just-been-made-a-reality(圖:TU Delft)
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