【瞧！我們的前沿科技】科學家發現高溫零磁場超導二極體效應

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本報北京1月25日電（記者晉浩天）北京大學物理學院量子材料科學中心王健團隊與合作者展開研究，成功製備出銅氧化物高溫超導體薄片器件，並在其中觀測到零磁場下工作溫度可達72開爾文（熱力學溫度，即零下201．15攝氏度，液氮溫區附近）的高溫超導二極體效應。與以往研究相比，王健團隊製備的超導二極體不僅結構簡單，工作溫度也有大幅提升，未來有望應用於低能耗的積體電路中。相關研究成果日前以《銅氧化物高溫超導體中的高溫零磁場超導二極體效應》為題發表于《自然∙通訊》。

“半導體二極體是現代電子電路的基礎元件，其典型特點是單嚮導電性：電流沿一個方向通過時電阻較小，而沿相反方向通過時電阻變得極大，就像單行道，只允許汽車往一個方向行駛而不能逆行。”王健告訴記者，這種特性使得半導體二極體能將交流電轉化為直流電，即整流效應，從而使半導體二極體廣泛用於具備電流開關、電路穩壓與交變電流轉換等功能的積體電路中。

“例如，我們日常使用的手機、電腦以及各種充電器等大部分電子設備，都會整合大量二極體。然而，因為有電阻，半導體二極體在使用時會不可避免地發熱，整合度越高的電路發熱越明顯，這是造成電子設備在使用時會發燙的主要因素之一。持續發熱會導致電子元件的性能下降甚至失效，這不僅是對電能的極大消耗，也限制了二極體在電路中的進一步整合。”團隊成員齊世超介紹，而超導體具有零電阻特性，在使用時不會發熱，能夠實現零損耗的電信號傳輸。“因此，如能在超導體中實現整流效應，就有望構建出同時具備邏輯運算能力與低功耗性能的電路元件，也就是超導二極體。”

王健團隊經過多年探索，成功製備出了銅氧化物高溫超導的微納器件，並且觀測到零磁場下最高工作溫度可達零下201．15攝氏度的超導二極體效應，這相較于常規超導二極體有大幅提升，並可通過較為廉價的液氮製冷實現。“我們觀測到的超導二極體效應效率最大值約為22％，並且能在超過200個週期的電流下表現出持續穩定的整流效應。除此以外，這種二極體構型簡單，無需外加磁場誘導就能産生，更有利於進一步整合到電子電路中。”王健説。

團隊成員葛軍表示，高溫零磁場超導二極體作為一種基礎電路元件，在未來有望應用於積體電路。相較于傳統二極體，超導二極體的能耗極低，可減少電子電路使用能耗，並進一步增大電路整合度，進而提升晶片等産品的性能和運算能力。