追求高效能計(jì)算與高速電子器件的道路上，始終受制于一個(gè)根本的物理限制：熱耗散。在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體中，二極管（允許電流單向通過(guò)，阻斷反向電流的器件）是現(xiàn)代邏輯電路的基石。然而，半導(dǎo)體本質(zhì)上具有電阻，這不可避免地導(dǎo)致了能量損耗。近期由薛其坤院士、張定教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《自然物理學(xué)》的關(guān)于《Quantum superconducting diode effect with perfect efficiency above liquid-nitrogen temperature》的研究，標(biāo)志著凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的重大突破，為無(wú)損、高速量子電子學(xué)鋪平了道路。

1. 超導(dǎo)二極管效應(yīng) (SDE) 的物理機(jī)制

在傳統(tǒng)的超導(dǎo)體中，庫(kù)珀對(duì)（超導(dǎo)電流）的流動(dòng)是對(duì)稱的：在正向（+Ic）和反向（-Ic）打破超導(dǎo)狀態(tài)所需的臨界電流是完全相同的。要實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)二極管效應(yīng) (SDE)，必須打破兩個(gè)基本的對(duì)稱性：

• 空間反演對(duì)稱性：物理結(jié)構(gòu)必須具有方向性。
• 時(shí)間反演對(duì)稱性：通常通過(guò)外加磁場(chǎng)或內(nèi)部磁序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)這些對(duì)稱性被打破時(shí)，系統(tǒng)表現(xiàn)出非互易傳輸特性，即+Ic ≠-Ic。如果這種差異足夠大，在特定電流下，器件在一個(gè)方向上表現(xiàn)為零電阻超導(dǎo)態(tài)，而在另一個(gè)方向上則表現(xiàn)為有電阻的耗散態(tài)。

2. 核心突破：進(jìn)軍液氮溫區(qū)

歷史上，超導(dǎo)二極管效應(yīng)通常只能在毫開(kāi)爾文或極低開(kāi)爾文溫度（接近絕對(duì)零度）下觀察到，這需要昂貴且龐大的液氦冷卻系統(tǒng)。該項(xiàng)研究通過(guò)使用高溫超導(dǎo)體 (HTS) 改變了這一范式。

扭轉(zhuǎn) Bi2212 的關(guān)鍵作用

研究團(tuán)隊(duì)利用了Bi?Sr?CaCu?O?+δ}（簡(jiǎn)稱 Bi2212），這是一種具有高轉(zhuǎn)變溫度的銅氧化物超導(dǎo)體。通過(guò)將兩層原子級(jí)薄的 Bi2212 晶體以特定角度堆疊并扭轉(zhuǎn)，他們構(gòu)建了一個(gè)扭轉(zhuǎn)約瑟夫森結(jié)。

這種扭轉(zhuǎn)界面至關(guān)重要，因?yàn)樗匀坏卮蚱屏丝臻g反演對(duì)稱性，并允許兩層超導(dǎo)層之間d波序參量的復(fù)雜干涉。

3. “完美效率”與量子優(yōu)勢(shì)

“完美效率”（η = 100%）是指二極管效應(yīng)達(dá)到了絕對(duì)狀態(tài)。在以往的研究中，效率定義為：

該數(shù)值通常遠(yuǎn)低于40%。

而該突破中的“量子”特性源于與微波輻射的相互作用。當(dāng)結(jié)區(qū)暴露在微波頻率下時(shí)，它會(huì)表現(xiàn)出夏皮羅步階 (Shapiro steps)——即量子化的電壓平臺(tái)。

研究表明，在特定的微波驅(qū)動(dòng)下，系統(tǒng)進(jìn)入一種特殊相位：

• 正向： 超導(dǎo)電流保持穩(wěn)健（零電壓）。
• 反向： 超導(dǎo)電流完全消失，器件直接躍遷到量子化的電壓狀態(tài)。

由于這種轉(zhuǎn)變受量子力學(xué)相位鎖定（交流約瑟夫森效應(yīng)）控制，二極管的行為是“數(shù)字化”且高度穩(wěn)定的，使其在超過(guò) 77 K 的溫度下實(shí)現(xiàn)了真正的 100% 整流效率。

4. 技術(shù)創(chuàng)新：無(wú)磁場(chǎng)運(yùn)行

實(shí)際應(yīng)用超導(dǎo)電路的一個(gè)主要障礙是需要外部磁場(chǎng)，磁場(chǎng)難以局部化且會(huì)干擾其他組件。這項(xiàng)工作突出了一種無(wú)磁場(chǎng)機(jī)制。

通過(guò)一種稱為“電流訓(xùn)練”（Current Training）的過(guò)程（即向器件通入特定的直流電流脈沖），內(nèi)部磁通或超導(dǎo)相位的分布被重新排列。這使得器件能夠“記住”其非互易特性，無(wú)需持續(xù)的外加磁場(chǎng)即可運(yùn)行，極大提升了其集成到微芯片中的可行性。

5. 對(duì)未來(lái)的深遠(yuǎn)影響

實(shí)現(xiàn)在液氮溫區(qū)（77 K）運(yùn)行是工業(yè)應(yīng)用的“圣杯”。液氮比液氦便宜得多，處理更安全，且已在醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。潛在應(yīng)用：

• 低溫計(jì)算： 構(gòu)建功耗僅為目前數(shù)據(jù)中心極小部分的超級(jí)計(jì)算機(jī)。
• 量子邏輯門：將 QSDE 作為量子信息處理的開(kāi)關(guān)，100% 的效率保證了極高的保真度。
• 航天技術(shù)： 深空環(huán)境的被動(dòng)冷卻足以達(dá)到 77 K，允許這些二極管在無(wú)需主動(dòng)制冷的情況下在衛(wèi)星電子設(shè)備中運(yùn)行。

6. 結(jié)語(yǔ)

在高溫下實(shí)現(xiàn) 100% 效率的量子超導(dǎo)二極管不僅是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室奇跡，更是下一代電子學(xué)的藍(lán)圖。通過(guò)將扭轉(zhuǎn)高溫超導(dǎo)界面的拓?fù)涮匦耘c量子微波動(dòng)力學(xué)相結(jié)合，研究人員為未來(lái)終結(jié)電子設(shè)備“發(fā)熱”難題提供了一種可能的方案。