挑战“不可能”零磁场下单向超导体问世

首先是在没有磁场的情况下超导体具有单向的意义。因为它们与金属（即，顾名思义的导体）的关系比与半导体更相关，半导体总是双向传导并且没有任何内置潜力。同样，约瑟夫森结（JJs）是两个超导体的夹层，超导体之间具有非超导经典势垒材料，并且没有特殊的对称破缺机制来产生?前向?和?前向?差异。

其次是内置电势的意义。虽然半导体可以有一个内置的固定偶极子，有效地使电子比另一个方向更难在一个方向上移动，但超导体没有这样的内置电势，因此只能使用磁场来感应这种电势。这是在纳米级别上极难控制的东西，因此对于电子产品来说是不实用的。为了突破这一限制，阿里和他的团队引入了约翰霍普金斯材料物理团队正在开发的一种新型量子材料。与石墨烯一样，Nb3Br8是一种用于原子薄片的二维材料，但据推测它具有自己的电偶极子。

然而具有超级快速和超级绿色。将超导体应用于电子产品的优势有两个。超导体可以使电子产品的速度提高数百倍，将超导体融入我们的日常生活将使IT更加环保：如果你将一根超导线从这里连接到月球，它可以无损耗地传输能量。

要知道20世纪之后，没有人能够解决使超导电子仅沿一个方向运行的障碍。这是计算和其他现代电子设备所需的基本特性。在正常传导中，电子作为单个粒子飞来飞去；在超导体中，它们成对移动而不会损失任何电能。IBM科学家尝试了超导计算的想法，但不得不停止努力：IBM在他们关于该主题的论文中提到，如果没有非互易的超导性，在超导体上运行的计算机将是不可能的。

超导体的发现有哪些艰难的历程？

超导现象的发现也并不是偶然的，它是人类长期艰苦探索的结果。

1891年，路易·加莱泰在法国、拉乌尔·皮克泰在瑞士成功地使微量的“永久气体”——氮、空气和氢液化。俄国的乌罗勃列夫斯基要求格拉斯科进行实验，成功地得到一定量的液体空气。他发现纯金属的电阻率与温度的关系有些奇特：看上去好像是在绝对温度零度附近其电阻会完全消失。这个奇妙的可能性促使产生了能预示从零电阻到无穷大电阻的许多限制低温性能的理论。

第二年，英格兰的詹姆斯·杜瓦发明了以他的名字命名的真空绝缘镀银玻璃容器。利用这容器他获得了其量可供做实验用的液态氢，并且将温度进一步降低。在这一温度下，他发现金属的电阻并没有消失，只是电阻已不随温度而变罢了。

最后，在威廉·拉姆齐发现地球上有氦之后不到20年，即1908年，坎默林·昂尼斯又成功地使之液化。液态氦使实验室实验的温度降低了一个数量级。3年以后，坎默林·昂尼斯及其学生霍尔斯特又发现，当在液态氦中冷却汞时，试样的电阻在临界温度时会突然消失。以后在进一步的实验中感应产生的持久电流仍没有明显的衰减。

继昂尼斯之后，于1933年，柏林麦斯纳的超导实验室又有一重大发现，即所谓麦斯纳效应。麦斯纳与其同事俄逊菲尔德在试验中发现超导体具有令人惊奇的磁特性。如果超导体碰到磁场，将在超导体表面形成屏蔽电流以反抗外界磁场，使磁场不能穿透超导体的内部，而在其内部仍保持零磁场。逆向试验得到相同的结果，即首先将某材料置于磁场之中，然后将这种材料冷却到超导状态，该材料同样生成屏蔽电流并排斥出磁场。这种现象因此称作麦斯纳效应，也就是在超导体内部磁感应强度为零，电流在表面流动。该效应可用一个试验来演示：一块永磁体可以使浸泡在液氮中的超导体悬浮起来。

只有当磁场较小时才会出现麦斯纳效应，如果磁场过大，磁场将穿透金属内部，从而金属失去超导性。

马约拉纳费米子的超导实验

许多科学家都试图通过实验在超导体中寻找马约拉纳费米子，2012年科学家发现了马约拉纳费米子存在的首个证据。来自荷兰代尔夫特理工大学科维理纳米科学研究所（Kavli Institute of Nanoscience）的一个研究小组进行了相关实验，他们将锑化铟纳米线与一条电路相连，一端为黄金触点，另一端为超导体薄片。设备暴露于中等强度的磁场中，当电压为0时导电率出现峰值，这与马约拉纳费米子对的形成相吻合，纳米线时与超导体接触的两端各有一个马约拉纳费米子。。几乎与此同时，由瑞典隆德大学固体物理实验室以及美国普渡大学也各自独立地在基于铌和锑化铟约瑟夫森结结构中观察到马约拉纳费米子所引起的超导电流。隆德大学的研究工作表明，在零磁场下，约瑟夫森结在有库伦阻塞的情况下会被限制在一个很小的值，但是当超过一定的磁场阈值的时，锑化铟纳米线由普通相转变成拓扑相，超导电流会有一个很大的突然的增强，且幅度具有量子化特征。普渡大学的研究组则采用SQUIDS结构，在有限磁场下观察到交流分数约瑟夫森效应。这三个独立的实验分别指出了在超导-半导体体系中(1)存在零能态 (2)零能态电导具有量子化特征 (3)具有分数约瑟夫森效应，与理论预期吻合的非常好。

物理学家开发了一种长期以来被认为是不可能的超导体电路

通过将经典材料换成具有独特量子特性的材料，科学家们制造了一种超导电路，该电路能够实现长期以来被认为是不可能的壮举。

这一发现由来自德国、荷兰和美国的研究人员做出，颠覆了一个世纪以来关于超导电路本质以及如何驯服超导电路并将其投入实际应用的思想。

基于超导物理学的低浪费、高速电路为将超级计算技术提升到一个全新的水平提供了绝佳的机会。

不幸的是，使这种毫不费力的电流形式如此方便的特性也恰好在设计普通电气元件的超导版本时产生了无穷无尽的挑战。

以像二极管这样简单的东西为例。这个基本的电子单元就像电流的单向标志，提供了一种调节、转换和调整电子运动的方法。

在超导材料中，这些单个电子的身份变得模糊，导致称为库珀对的伙伴，使伙伴中的每个粒子能够避免更典型的电流的能量消耗碰撞。

但是如果没有通常的阻力定律起作用，科学家们就无法使超导电子沿单一方向行进，因为它们总是表现出所谓的“互惠”行为。

这个基本假设——超导性不能违反互易性（至少在没有磁场操纵的情况下不能）——自该领域的研究一开始就一直存在。

坦率地说，这是工程师可以做到的障碍。

现在可能需要重新审视这些努力，因为一项实验显示了一种带有量子组件的连接点，它能够引导甚至库珀对沿着单向街道行驶。

约瑟夫森结是非超导材料的薄条，将一对超导体材料分开。如果材料足够薄，电子可以直接穿过它们而无需担心。

在一定水平以下，这种“超电流”没有电压。在临界点，会出现电压，在波中快速振荡，可用于量子计算机等应用。

以前通过外部磁场确保该电流只流向一种方式是可能的。但研究小组发现，如果他们使用基于金属铌的二维晶格，他们可以放弃该领域并仅依赖材料的量子特性。

“我们能够仅剥离 Nb 3 Br 8的几个原子层，并制作一个非常非常薄的三明治——只有几个原子层厚——这是制造约瑟夫森二极管所需的，而普通 3D 无法做到材料，” 荷兰代尔夫特理工大学的物理学家、首席研究员 Mazhar Ali说。

该团队相信他们已经勾选了为他们的发现提供可靠案例所需的所有方框。尽管如此，在我们看到超导体成为下一代计算的核心之前还有很长的路要走。

一方面，超导现象通常发生在冷却到略高于绝对零的材料中。

一些超导材料可以处理热量，但前提是置于疯狂的压力下。

了解基于这些新量子势垒的约瑟夫森结如何在更高的温度和压力下运行最终可能会改变 游戏 规则——减少世界上从未见过的极其高效的超级计算机所需的设备数量。

“这将影响各种 社会 和技术应用，”阿里说。

“如果说 20 世纪是半导体的世纪，那么 21 世纪就可以成为超导体的世纪。”

后缀：挑战“不可能”零磁场下单向超导体问世