在北京量子信息科學(xué)研究院的高溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，科研人員正借助顯微鏡進(jìn)行“微雕”——制備尺寸幾十微米、厚度僅100納米的量子超導(dǎo)二極管。這種厚度僅為頭發(fā)絲700分之一的量子超導(dǎo)二極管，能在液氮溫區(qū)實(shí)現(xiàn)無(wú)能量損耗的高效工作，整流效率可達(dá)100%，并具備量子抗噪特性，工作溫區(qū)與普通超導(dǎo)二極管相比提升近10倍。這項(xiàng)成果的產(chǎn)出，借助了北京新型研發(fā)機(jī)構(gòu)的體制優(yōu)勢(shì)，為開(kāi)發(fā)新一代超導(dǎo)電子學(xué)器件奠定了重要基礎(chǔ)。11月28日，相關(guān)研究成果在《自然·物理》在線(xiàn)發(fā)表。
二極管是一種常見(jiàn)的電子元器件，它能將電路中的交流電整流為單向流動(dòng)的直流電。但由于常規(guī)半導(dǎo)體材料制成的二極管存在電阻，在工作時(shí)自身會(huì)發(fā)熱，導(dǎo)致能量損耗。而超導(dǎo)材料擁有零電阻特性，用它制作的二極管，在特定的電流強(qiáng)度和外部磁場(chǎng)作用的情況下，“0”態(tài)和“1”態(tài)分別對(duì)應(yīng)零耗散態(tài)和有耗散態(tài)，也就是能在一半的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)零能耗。
如今，性能更強(qiáng)大的量子超導(dǎo)二極管，在北京量子院誕生?！八兄碌膫鬏旊娏鞣绞健ｋ娮釉诹孔映瑢?dǎo)二極管內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)，不論在‘0’態(tài)還是‘1’態(tài)，都是兩兩‘牽手跑’，從而實(shí)現(xiàn)能量的完全零耗散?！北本┝孔釉杭嫫秆芯繂T、清華大學(xué)物理系副教授張定介紹，這個(gè)特點(diǎn)彌補(bǔ)了普通超導(dǎo)二極管內(nèi)，單個(gè)電子因無(wú)序運(yùn)動(dòng)而碰撞產(chǎn)熱的難題，并能提升器件的抗噪能力，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的信號(hào)轉(zhuǎn)換。
“起初，這項(xiàng)成果的研發(fā)方向并不在我們的預(yù)期之內(nèi)?！睆埗ㄕf(shuō)，團(tuán)隊(duì)在推進(jìn)基礎(chǔ)研究的過(guò)程中，意外發(fā)現(xiàn)了全新的現(xiàn)象，確認(rèn)了性能更優(yōu)異的量子材料，從而衍生出高溫超導(dǎo)器件制備的新研發(fā)路線(xiàn)，“這是科研的魅力所在?！鼻捌?，團(tuán)隊(duì)在清華大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室推進(jìn)高溫超導(dǎo)機(jī)理的基礎(chǔ)研究，北京量子院則提供了有效的支撐平臺(tái)，助力相關(guān)技術(shù)快速迭代，產(chǎn)出性能更加優(yōu)異的器件產(chǎn)品。
“高校實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)是以小組為單位，各方面的支持條件相對(duì)有限。當(dāng)時(shí)我們一次性制備幾百個(gè)樣品，成功率卻只有10%左右?！北本┝孔釉焊毖芯繂T朱玉瑩說(shuō)，依托北京量子院的平臺(tái)，她和團(tuán)隊(duì)成員瞄準(zhǔn)器件制備技術(shù)展開(kāi)探索。利用新研發(fā)的低溫器件制備技術(shù)，超導(dǎo)二極管的穩(wěn)定性和合格產(chǎn)率都大幅提升。
這是研發(fā)面向應(yīng)用的超導(dǎo)電子學(xué)器件的重要一步?！霸诹孔佑?jì)算機(jī)中，超導(dǎo)二極管能成為其中量子邏輯電路的重要組件。它能在零功耗的狀態(tài)下完成信號(hào)噪音的過(guò)濾，讓輸入的信號(hào)變得更‘干凈’?！睆埗ㄕf(shuō)，此前的超導(dǎo)二極管產(chǎn)品需要在液氦溫區(qū)，也就是約零下269攝氏度的條件下工作，并需要施加一定的磁場(chǎng)。而這款量子超導(dǎo)二極管處在液氮溫區(qū)即可發(fā)揮效用。隨著工作溫度提升，器件所需的冷卻裝置就能做得更簡(jiǎn)潔、輕巧，有望幫助量子計(jì)算機(jī)“瘦身”。
編輯：李華山
