超導(dǎo)材料突破或?qū)O大改變芯片行業(yè)

如果 20 世紀是半導(dǎo)體的世紀，那么 21 世紀可以成為超導(dǎo)體的世紀。

代爾夫特理工大學(xué)研究團隊負責(zé)人 Mazhar Ali 教授在超導(dǎo)材料領(lǐng)域的突破發(fā)表在《自然》雜志上。超導(dǎo)體是一類提供無損耗導(dǎo)電性的材料。研究表明，超導(dǎo)體也可以被制成只在一個方向上傳輸電流——這在以前被認為是不可能的。這一發(fā)現(xiàn)最終可能使電子產(chǎn)品不僅效率更高，而且性能提高數(shù)百倍，甚至可能開啟太赫茲時代。 

超導(dǎo)體是在沒有任何電阻的情況下承載電流的材料。這意味著（在所有條件相同的情況下）信號不會失去完整性，并且不會以熱量的形式損失能量——不管信號的起點和終點之間的實際物理距離如何——即使你要測量它天文單位 (AU)。 

超導(dǎo)材料的問題在于，由于它們的特性，無法控制電子的流動。

由于材料的整個長度都沒有電阻，因此也沒有簡單的方法來添加它，并且電流向前和向后流動。通常可以通過部署電磁場來控制電子的流動。但在當前制造工藝的納米尺度上，這些設(shè)計、控制和部署極其困難，這將影響成本和可擴展性。

科學(xué)家們通過替換約瑟夫森結(jié)的經(jīng)典組件來解決這個問題，這些組件用于破壞材料的對稱性。為此，他們部署了一種新型量子材料——本質(zhì)上是經(jīng)典材料，已被操縱（或剃掉）使其盡可能小的尺寸（通常僅與分子本身一樣厚）。科學(xué)家們將他們的新設(shè)計稱為“量子材料約瑟夫森結(jié)”，并以量子材料 Nb3Br8 為基礎(chǔ)。 

與石墨烯一樣，Nb3Br8 是一種二維材料，研究小組推測它可以承載凈電偶極子——一種特別有用的結(jié)構(gòu)，可以打破超導(dǎo)對稱性。由于這種材料，研究人員現(xiàn)在可以控制其超導(dǎo)材料上的電流流動，使電子混沌朝著“前進”路徑前進，電子可以在沒有任何阻力的情況下愉快地掠過超導(dǎo)體，以及“后退”方向，一位科學(xué)家不希望他們的自由移動的電子靠近。

想象一下你手中有一塊天鵝絨。如果手指順著纖維的方向上摸它，幾乎沒有或沒有可察覺的阻力；但是如果逆著纖維方向去摸，柔軟的感覺就基本上消失了，這就是方向之間存在差異。

荷蘭研究委員會 (NWO) 估計，與傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比，僅超導(dǎo)效率優(yōu)勢就能使全球西方能源消耗減少 10%。與此同時，芯片制造商會抓住機會減少設(shè)計中的熱量和浪費的電能，就像他們在經(jīng)濟可行的情況下總是這樣做的那樣。

但這項研究的另一個要素是，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體對應(yīng)物相比，超導(dǎo)體可以解鎖的性能提升類型（您猜對了，由于材料的自然電阻，它僅將一部分原始電流傳遞到目的地）。Mahzar Ali 表示，這一新的科學(xué)突破可能為芯片制造業(yè)的變革性發(fā)展鋪平道路。只能用半導(dǎo)體實現(xiàn)的技術(shù)現(xiàn)在可以用超導(dǎo)體制造——提供高達經(jīng)典材料工作頻率的 300 到 400 倍。他說，最終，這種可能性對于各種社會和技術(shù)應(yīng)用都會成真。

雖然研究人員并不認為消費者即使是PC發(fā)燒友很快就能使用基于超導(dǎo)的計算，但這并不意味著這一突破的影響會減弱。研究人員預(yù)計數(shù)據(jù)中心和超級計算機將率先采用超導(dǎo)體設(shè)計。隨著對云服務(wù)的日益推動，例如微軟的Windows 365 云操作系統(tǒng)和云游戲，對環(huán)境可持續(xù)性和最終用戶體驗都產(chǎn)生了真正的影響。 

與所有研究一樣——尤其是革命性的研究——在轉(zhuǎn)化為實際產(chǎn)品之前還有很多工作要做。目前，科學(xué)家們專注于降低其設(shè)計的工作溫度。目標是實現(xiàn)所謂的“高溫超導(dǎo)體”，這將使約瑟夫森二極管能夠在 77 開爾文 (-192 oC) 的溫度下工作，該溫度足以通過液氮進行冷卻，已經(jīng)用于實現(xiàn)一些最佳 CPU和最佳 GPU上的世界上最令人印象深刻的超頻記錄。

另一個要解決的因素自然是生產(chǎn)規(guī)模。雖然研究人員的工作證明超導(dǎo)體實際上可以用于納米器件，但出于學(xué)術(shù)目的的制造與代工廠的高風(fēng)險產(chǎn)量游戲之間存在著天壤之別。如果研究人員能夠設(shè)計出一種方法，將生產(chǎn)規(guī)模擴大到單個納米級芯片中的數(shù)百萬個約瑟夫森二極管，那么太赫茲競賽的所有賭注都將落空。

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