科学家发现高温零磁场超导二极管效应
北京大学物理学院量子材料科学中心王健团队与合作者展开研究，成功制备出铜氧化物高温超导体薄片器件，并在其中观测到零磁场下工作温度可达72开尔文（热力学温度，即零下201.15摄氏度，液氮温区附近）的高温超导二极管效应。与以往研究相比，王健团队制备的超导二极管不仅结构简单，工作温度也有大幅提升，未来有望应用于低能耗的集成电路中。相关研究成果日前以《铜氧化物高温超导体中的高温零磁场超导二极管效应》为题发表于《自然 通讯》。
“半导体二极管是现代电子电路的基础元件，其典型特点是单向导电性：电流沿一个方向通过时电阻较小，而沿相反方向通过时电阻变得极大，就像单行道，只允许汽车往一个方向行驶而不能逆行。”王健告诉记者，这种特性使得半导体二极管能将交流电转化为直流电，即整流效应，从而使半导体二极管广泛用于具备电流开关、电路稳压与交变电流转换等功能的集成电路中。
“例如，我们日常使用的手机、电脑以及各种充电器等大部分电子设备，都会集成大量二极管。然而，因为有电阻，半导体二极管在使用时会不可避免地发热，集成度越高的电路发热越明显，这是造成电子设备在使用时会发烫的主要因素之一。持续发热会导致电子元件的性能下降甚至失效，这不仅是对电能的极大消耗，也限制了二极管在电路中的进一步集成。”团队成员齐世超介绍，而超导体具有零电阻特性，在使用时不会发热，能够实现零损耗的电信号传输。“因此，如能在超导体中实现整流效应，就有望构建出同时具备逻辑运算能力与低功耗性能的电路元件，也就是超导二极管。”
王健团队经过多年探索，成功制备出了铜氧化物高温超导的微纳器件，并且观测到零磁场下最高工作温度可达零下201.15摄氏度的超导二极管效应，这相较于常规超导二极管有大幅提升，并可通过较为廉价的液氮制冷实现。“我们观测到的超导二极管效应效率最大值约为22%，并且能在超过200个周期的电流下表现出持续稳定的整流效应。除此以外，这种二极管构型简单，无需外加磁场诱导就能产生，更有利于进一步集成到电子电路中。”王健说。
团队成员葛军表示，高温零磁场超导二极管作为一种基础电路元件，在未来有望应用于集成电路。相较于传统二极管，超导二极管的能耗极低，可减少电子电路使用能耗，并进一步增大电路集成度，进而提升芯片等产品的性能和运算能力。（记者晋浩天）