超导材料突破或将极大改变芯片行业

如果 20 世纪是半导体的世纪，那么 21 世纪可以成为超导体的世纪。

代尔夫特理工大学研究团队负责人 Mazhar Ali 教授在超导材料领域的突破发表在《自然》杂志上。超导体是一类提供无损耗导电性的材料。研究表明，超导体也可以被制成只在一个方向上传输电流——这在以前被认为是不可能的。这一发现最终可能使电子产品不仅效率更高，而且性能提高数百倍，甚至可能开启太赫兹时代。 

超导体是在没有任何电阻的情况下承载电流的材料。这意味着（在所有条件相同的情况下）信号不会失去完整性，并且不会以热量的形式损失能量——不管信号的起点和终点之间的实际物理距离如何——即使你要测量它天文单位 (AU)。 

超导材料的问题在于，由于它们的特性，无法控制电子的流动。

由于材料的整个长度都没有电阻，因此也没有简单的方法来添加它，并且电流向前和向后流动。通常可以通过部署电磁场来控制电子的流动。但在当前制造工艺的纳米尺度上，这些设计、控制和部署极其困难，这将影响成本和可扩展性。

科学家们通过替换约瑟夫森结的经典组件来解决这个问题，这些组件用于破坏材料的对称性。为此，他们部署了一种新型量子材料——本质上是经典材料，已被操纵（或剃掉）使其尽可能小的尺寸（通常仅与分子本身一样厚）。科学家们将他们的新设计称为“量子材料约瑟夫森结”，并以量子材料 Nb3Br8 为基础。 

与石墨烯一样，Nb3Br8 是一种二维材料，研究小组推测它可以承载净电偶极子——一种特别有用的结构，可以打破超导对称性。由于这种材料，研究人员现在可以控制其超导材料上的电流流动，使电子混沌朝着“前进”路径前进，电子可以在没有任何阻力的情况下愉快地掠过超导体，以及“后退”方向，一位科学家不希望他们的自由移动的电子靠近。

想象一下你手中有一块天鹅绒。如果手指顺着纤维的方向上摸它，几乎没有或没有可察觉的阻力；但是如果逆着纤维方向去摸，柔软的感觉就基本上消失了，这就是方向之间存在差异。

荷兰研究委员会 (NWO) 估计，与传统半导体相比，仅超导效率优势就能使全球西方能源消耗减少 10%。与此同时，芯片制造商会抓住机会减少设计中的热量和浪费的电能，就像他们在经济可行的情况下总是这样做的那样。

但这项研究的另一个要素是，与传统的半导体对应物相比，超导体可以解锁的性能提升类型（您猜对了，由于材料的自然电阻，它仅将一部分原始电流传递到目的地）。Mahzar Ali 表示，这一新的科学突破可能为芯片制造业的变革性发展铺平道路。只能用半导体实现的技术现在可以用超导体制造——提供高达经典材料工作频率的 300 到 400 倍。他说，最终，这种可能性对于各种社会和技术应用都会成真。

虽然研究人员并不认为消费者即使是PC发烧友很快就能使用基于超导的计算，但这并不意味着这一突破的影响会减弱。研究人员预计数据中心和超级计算机将率先采用超导体设计。随着对云服务的日益推动，例如微软的Windows 365 云操作系统和云游戏，对环境可持续性和最终用户体验都产生了真正的影响。 

与所有研究一样——尤其是革命性的研究——在转化为实际产品之前还有很多工作要做。目前，科学家们专注于降低其设计的工作温度。目标是实现所谓的“高温超导体”，这将使约瑟夫森二极管能够在 77 开尔文 (-192 ºC) 的温度下工作，该温度足以通过液氮进行冷却，已经用于实现一些最佳 CPU和最佳 GPU上的世界上最令人印象深刻的超频记录。

另一个要解决的因素自然是生产规模。虽然研究人员的工作证明超导体实际上可以用于纳米器件，但出于学术目的的制造与代工厂的高风险产量游戏之间存在着天壤之别。如果研究人员能够设计出一种方法，将生产规模扩大到单个纳米级芯片中的数百万个约瑟夫森二极管，那么太赫兹竞赛的所有赌注都将落空。

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