超導材料突破或將極大改變芯片行業

如果 20 世紀是半導體的世紀，那么 21 世紀可以成為超導體的世紀。

代爾夫特理工大學研究團隊負責人 Mazhar Ali 教授在超導材料領域的突破發表在《自然》雜志上。超導體是一類提供無損耗導電性的材料。研究表明，超導體也可以被制成只在一個方向上傳輸電流——這在以前被認為是不可能的。這一發現最終可能使電子產品不僅效率更高，而且性能提高數百倍，甚至可能開啟太赫茲時代。 

超導體是在沒有任何電阻的情況下承載電流的材料。這意味著（在所有條件相同的情況下）信號不會失去完整性，并且不會以熱量的形式損失能量——不管信號的起點和終點之間的實際物理距離如何——即使你要測量它天文單位 (AU)。 

超導材料的問題在于，由于它們的特性，無法控制電子的流動。

由于材料的整個長度都沒有電阻，因此也沒有簡單的方法來添加它，并且電流向前和向后流動。通常可以通過部署電磁場來控制電子的流動。但在當前制造工藝的納米尺度上，這些設計、控制和部署極其困難，這將影響成本和可擴展性。

科學家們通過替換約瑟夫森結的經典組件來解決這個問題，這些組件用于破壞材料的對稱性。為此，他們部署了一種新型量子材料——本質上是經典材料，已被操縱（或剃掉）使其盡可能小的尺寸（通常僅與分子本身一樣厚）。科學家們將他們的新設計稱為“量子材料約瑟夫森結”，并以量子材料 Nb3Br8 為基礎。 

與石墨烯一樣，Nb3Br8 是一種二維材料，研究小組推測它可以承載凈電偶極子——一種特別有用的結構，可以打破超導對稱性。由于這種材料，研究人員現在可以控制其超導材料上的電流流動，使電子混沌朝著“前進”路徑前進，電子可以在沒有任何阻力的情況下愉快地掠過超導體，以及“后退”方向，一位科學家不希望他們的自由移動的電子靠近。

想象一下你手中有一塊天鵝絨。如果手指順著纖維的方向上摸它，幾乎沒有或沒有可察覺的阻力；但是如果逆著纖維方向去摸，柔軟的感覺就基本上消失了，這就是方向之間存在差異。

荷蘭研究委員會 (NWO) 估計，與傳統半導體相比，僅超導效率優勢就能使全球西方能源消耗減少 10%。與此同時，芯片制造商會抓住機會減少設計中的熱量和浪費的電能，就像他們在經濟可行的情況下總是這樣做的那樣。

但這項研究的另一個要素是，與傳統的半導體對應物相比，超導體可以解鎖的性能提升類型（您猜對了，由于材料的自然電阻，它僅將一部分原始電流傳遞到目的地）。Mahzar Ali 表示，這一新的科學突破可能為芯片制造業的變革性發展鋪平道路。只能用半導體實現的技術現在可以用超導體制造——提供高達經典材料工作頻率的 300 到 400 倍。他說，最終，這種可能性對于各種社會和技術應用都會成真。

雖然研究人員并不認為消費者即使是PC發燒友很快就能使用基于超導的計算，但這并不意味著這一突破的影響會減弱。研究人員預計數據中心和超級計算機將率先采用超導體設計。隨著對云服務的日益推動，例如微軟的Windows 365 云操作系統和云游戲，對環境可持續性和最終用戶體驗都產生了真正的影響。 

與所有研究一樣——尤其是革命性的研究——在轉化為實際產品之前還有很多工作要做。目前，科學家們專注于降低其設計的工作溫度。目標是實現所謂的“高溫超導體”，這將使約瑟夫森二極管能夠在 77 開爾文 (-192 oC) 的溫度下工作，該溫度足以通過液氮進行冷卻，已經用于實現一些最佳 CPU和最佳 GPU上的世界上最令人印象深刻的超頻記錄。

另一個要解決的因素自然是生產規模。雖然研究人員的工作證明超導體實際上可以用于納米器件，但出于學術目的的制造與代工廠的高風險產量游戲之間存在著天壤之別。如果研究人員能夠設計出一種方法，將生產規模擴大到單個納米級芯片中的數百萬個約瑟夫森二極管，那么太赫茲競賽的所有賭注都將落空。

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